Твердотельный лазерный гироскоп-мультигенератор с использованием кристаллической среды усиления со срезом на <100>

Твердотельный лазерный гироскоп-мультигенератор с использованием кристаллической среды усиления со срезом на <100>

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения относится к лазерным гироскопам, которые являются датчиками вращения, используемыми для инерциальной навигации. Несмотря на то, что большинство имеющихся в настоящее время на рынке лазерных гироскопов используют как среду усиления гелий-неоновую газовую смесь, в последнее время была доказана возможность замены этой газовой среды твердотельной средой, например, на основе кристалла Nd-YAG (алюмо-иттриевого граната (АИГ) с неодимом), с накачкой диодным лазером. Такое устройство называют твердотельным лазерным гироскопом.

Одним из аспектов, определяющих качество инерциальных характеристик лазерного гироскопа, является решение проблемы так называемой «слепой зоны», то есть, проблемы синхронизации мод с небольшими скоростями вращения, что делает невозможным измерение по целому диапазону скоростей, называемому слепой зоной. В обычном варианте гелий-неонового лазерного гироскопа эта проблема решается путем механического активирования резонатора, то есть, сообщая ему возвратно-поступательное движение вокруг своей оси, что позволяет удерживать его чаще всего за пределами слепой зоны.

Перенос этого метода на твердотельный лазерный гироскоп, принимая в расчет специфические проблемы, связанные с однородным характером среды усиления, может быть осуществлен за счет соединения усиливающей среды с электромеханическим устройством, которое обеспечивает указанной усиливающей среде периодическое поступательное движение по оси, по существу параллельной направлению распространения оптических мод, которые распространяются в резонаторе. Имеется также другая возможность решить проблему слепой зоны без использования механического движения. Речь идет о введении смещения магнитооптической частоты с целью моделирования вращения, что позволяет позиционировать лазерный гироскоп в зоне линейного функционирования. Качество инерциальных характеристик устройств, выполненных в соответствии с этим принципом, зависит непосредственно от того, как введенное изначально смещение частоты отсекается от сигнала измерения. Как это было уже отмечено прежде в рамках работ в связи с газовым лазерным гироскопом, простое вычитание среднего значения этого смещения может привести лишь к лазерному гироскопу с низкими или средними характеристиками вследствие пульсаций и дрейфов смещения, которые отражаются непосредственно на сигнале. Существует способ, позволяющий сохранить преимущество магнитооптического смещения, полностью освободив его от пульсаций и дрейфов. Реализованный принцип, известный под названием «лазерный гироскоп-мультигенератор» или «четырехмодовый лазерный гироскоп», состоит в создании сосуществующих в резонаторе двух пар вращающихся в противоположном направлении мод, которые колеблются в ортогональных состояниях поляризации, и при этом обе пары подвержены воздействию одного и того же магнитооптического смещения, но с противоположными знаками. Измерительный сигнал, создаваемый разностью частот биений, получаемых от двух пар вращающихся в противоположном направлении мод, не зависит в данном случае от величины смещения, то есть, в частности, не подвержен пульсациям и дрейфам смещения. Этот тип устройства подробно описан и изучен в его гелий-неоновом варианте. Можно сослаться, например, на патент US 3 741 657 (1973) K. Andringa «Laser gyroscope» или на публикацию W. Chow, J. Hambenne, T. Hutchings, V. Sanders, M. Sargent III and M. Scully «Multioscillator Laser Gyros», in IEEE Journal of Quantum Electronics 16 (9), 918 (1980). Компания Northrop Grumman (прежде Litton) в настоящее время предлагает на рынке лазерный гироскоп с высокими техническими характеристиками, основанный на этом принципе, известном под названием «Zero-Lock».

Перенос технологий «Zero-Lock» Литтона на твердотельный лазерный гироскоп возможен и позволяет решить проблему «слепой зоны». Однако твердотельные лазеры имеют другие проблемы. Условием для наблюдения биений и, следовательно, функционирования лазерного гироскопа, является стабильность и относительное равенство интенсивностей излучения в обоих направлениях. Добиться этого априори не просто вследствие явления межмодовой конкуренции, означающей, что одна из двух противоположно направленных мод может иметь тенденцию к монополизации имеющегося усиления в ущерб другой моде. Проблема нестабильности двунаправленного излучения для твердотельного кольцевого лазера, может быть решена путем применения контура обратной связи, предназначенного для подстройки вокруг заданного значения разности между интенсивностями двух противоположно направленных мод. Этот контур воздействует на лазер таким образом, что его потери ставятся в зависимость от направления распространения, например, посредством взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и поляризующего элемента (патент FR № 03 03645), или его усиление ставится в зависимость от направления распространения, например, посредством взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и кристалла с поляризованным излучением (патент FR № 03 14598). После завершения подстройки лазер излучает два противоположно распространяющихся луча, интенсивности которых являются стабильными, и он может быть использован как лазерный гироскоп.

Тем не менее, указанные выше технологии не решают проблему конкуренции между ортогональными модами. Экспериментально этот недостаток ограничивает на практике стабильность биений, полученных в течение нескольких десятков секунд на лазерном гироскопе-«твердотельном мультигенераторе», как его описывает С. Швартц в своей диссертационной докторской работе, опубликованной в 2006 году под названием «Gyrolaser а etat solide. Application des lasers а atomes а la girométrie» (Твердотельный лазерный гироскоп. Применение атомарных лазеров в гирометрии).

Лазерный гироскоп согласно изобретению включает в себя особую среду усиления, которая позволяет снизить конкуренцию между ортогональными модами.

Если быть более точными, изобретение относится к лазерному гироскопу-«мультигенератору», который позволяет измерять угловую скорость или относительное угловое положение по определенной оси вращения, содержащий по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор и твердотельную усиливающую среду, и измерительное устройство, расположенные таким образом, что первая распространяющаяся линейно поляризованная мода и вторая распространяющаяся линейно поляризованная мода, перпендикулярно первой моде, могут распространяться в первом направлении в резонаторе и что третья распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно первой моде, и четвертая распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно второй моде могут распространяться в противоположном направлении в резонаторе, отличающийся тем, что усиливающая среда представляет собой симметричный кубический кристалл, содержащий входную грань и выходную грань, при этом кристалл срезан таким образом, что указанные грани по существу перпендикулярны кристаллографическому направлению <100>, причем углы падения различных мод на указанных гранях по существу перпендикулярны указанным граням.

В первом возможном варианте реализации, лазерный гироскоп содержит по меньшей мере один лазерный диод, который осуществляет инверсию населенности усиливающей среды, при этом упомянутый диод излучает световой луч, который проходит через кристалл, при этом луч линейно поляризован в направлении, которое определяет биссектриса угла, образованного направлениями состояний поляризации собственных мод оптического резонатора.

Во втором возможном варианте реализации, лазерный гироскоп содержит по меньшей мере два лазерных диода, которые осуществляют инверсию населенности усиливающей среды, при этом каждый из них излучает световой луч, при этом каждый луч линейно поляризован по одной из собственных осей лазерного резонатора и при этом направление поляризации первого луча перпендикулярно направлению поляризации второго луча.

Преимущественно, лазерный гироскоп включает в себя устройство подстройки интенсивности противоположно распространяющихся мод, которое содержит по меньшей мере:

- первый оптический блок, состоящий из первого оптического вращателя с невзаимным эффектом и оптического элемента, при этом указанный оптический элемент представляет собой, либо оптический вращатель с взаимным эффектом, либо двулучепреломляющий элемент, при этом по меньшей мере один из эффектов или двойное лучепреломление могут регулироваться;

- второй оптический блок, состоящий из первого устройства пространственной фильтрации и первого оптического элемента поляризационного разнесения;

- третий оптический блок, состоящий из второго устройства пространственной фильтрации и второго оптического элемента поляризационного разнесения, при этом второй оптический блок и третий оптический блок расположены с одной и другой стороны первого оптического блока, а третий оптический блок расположен симметрично второму оптическому блоку;

и лазерный гироскоп включает в себя также устройство подавления слепой зоны, которое содержит:

- четвертый оптический блок, состоящий последовательно из первой четвертьволновой пластины, второго оптического вращателя с невзаимным эффектом и второй четвертьволновой пластины, основные оси которой перпендикулярны осям первой четвертьволновой пластины, при этом основные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины наклонены примерно под углом 45° относительно направлений линейной поляризации четырех распространяющихся мод и оптические частоты четырех мод все различны.

Наконец, изобретение относится также к системе измерения угловых скоростей или относительных угловых положений по трем различным осям, которая включает три лазерных гироскопа-«мультигенератора», характеризующихся одним из предыдущих признаков, при этом все три лазерных гироскопа ориентированы в разных направлениях и установлены на общей механической конструкции.

Для лучшего понимания изобретение и выявления других преимуществ ниже приводится описание, не имеющее ограничительного характера, и прилагаются фигуры, на которых показаны:

Фиг. 1 - различные срезы кубического кристалла;

Фиг. 2 - общая блок-схема лазерного гироскопа-«мультигенератора» согласно изобретению;

Фиг. 3 - первая мода с оптической накачкой усилителя согласно изобретению;

Фиг. 4 - вторая мода с оптической накачкой усилителя согласно изобретению;

Фиг. 5 - общая блок-схема лазерного гироскопа-«мультигенератора» согласно изобретению, содержащего устройство подстройки интенсивности распространяющихся в противоположном направлении мод и второго устройства подавления слепой зоны.

Основным принципом заявленного лазерного гироскопа является соотношение, которое существует в легированной кристаллической среде между ориентациями осей кристалла, с одной стороны, и диполями легирующих ионов, с другой стороны. Это соотношение уже было отмечено для различных применений в случае поглощающих насыщенных сред. Например, можно указать на такие публикации по этой теме, как: H. Eilers, K. Hoffman, W. Dennis, S. Jacobsen and W. Yen, Appl. Phys. Lett. 61 (25), 2958 (1992) и M. Brunel, O. Emile, M. Vallet, F. Bretenaker, A. Le Floch, L. Fulbert, J. Marty, B. Ferrand and E. Molva, Phys. Rev. A 60 (5), 4052 (1999).

Путем соответствующей ориентации осей кристалла, служащего средой усиления, относительно собственно состояний поляризации лазера, можно сделать так, что каждое состояние поляризации предпочтительно взаимодействует с определенными диполями, что приводит к уменьшению связи между собственно ортогональными состояниями и, следовательно, явления межмодовой конкуренции.

В частности, когда используемая среда усиления является кубической и срезанной таким образом, что ее грани перпендикулярны направлению <100>, то есть, заданному направлению относительно осей кристалла, согласно записи показателей Миллера, (в этой связи см. H. Miller, A Treatise on Crystallography, Oxford University (1839)), то связь между модами значительно снижается по сравнению с обычным срезом, который осуществляется перпендикулярно направлению <111>. Так, если в лазерном резонаторе, в котором как среда усиления используется кристалл АИГ, легированный ионами неодима, измерить силу связи между ортогональными модами, с одной стороны, с кристаллом со срезом по оси <111> и, с другой стороны, с кристаллом со срезом по оси <100>, то можно получить связь в пятнадцать раз меньшую во втором случае, чем в первом, что выражается, в случае конфигурации типа твердотельного лазерного гироскопа-«мультигенератора», в возросшей стабильности сигналов биений. На фиг. 1 показаны два среза кубического кристалла, левый рисунок изображает срез по оси <111> и правый рисунок изображает срез по оси <100>. На этих срезах куб изображен в виде кристаллической решетки кристалла, плоскости среза представлены поверхностями, помеченными пунктирными линиями, а направление распространения лазерных лучей обозначено двойной стрелкой.

Следовательно, лазерный гироскоп согласно изобретению содержит кубическую кристаллическую среду усиления, срезанную на <100> для увеличения стабильности измеряемых сигналов. Следует отметить, что преобладающее большинство кристаллических усиливающих сред, предлагаемых на рынке, срезаны на <111>. И лишь небольшое число специализированных производств, как например немецкая компания FEE, способны поставлять кристаллы со срезом на <100>.

Воздействие кристалла со срезом на <100>, по сравнению с кристаллом со срезом на <111>, на связь между собственными ортогональными модами лазера может быть проиллюстрирована следующей упрощенной моделью, которая преимущественным образом предлагает интуитивное понимание физического явления в действии. С этой целью предполагается, что оси диполей легирующих ионов ориентированы по кристаллографическим осям среды усиления, которая предполагается в форме куба и определяется единичными и попарно ортогональными векторами е _х, e _Y и e _z. Следовательно, легирующие ионы могут быть распределены по трем семействам диполей, обозначенных de _x1, de _y и de _z. Вначале рассматривается случай, в котором кристалл срезан по оси <111>. Волновой вектор k луча, падающего перпендикулярно граням кристалла, записывается в виде k=k(e _x+e _y+e _z)/√3. Оба состояния, присущие линейной поляризации лазера, обозначаются E _u и E _v, которые соответствуют естественным образом следующим отношениям:

E _u·E _v=0; E _u·k=0 и E _v·k=0.

Затем (доказательством от противного) предполагается, что семейства диполей развязаны, то есть, если одна мода взаимодействует с ним, то другая мода не взаимодействует с ним. С нашими записями, это выражается тем, что если одна составляющая по e _x, e _y или e _z E _u не нулевая, следовательно, соответствующая составляющая E _v должна быть нулевой. Если вектор E _u не равен нулю, то по меньшей мере одна из его составляющих не равна нулю. Предполагается, без ущерба обобщению, что это составляющая, соответствующая оси х, то есть (E _u·e _x). Это означает, согласно гипотезе о развязке семейств диполей, что составляющая (E _v·e _x) является нулевой. Теперь из равенства E _v∙k=0 легко выводим следующее отношение:

E _v·e _y=-E _v·e _x≠0, так как E _v≠0.

Это позволяет, в свою очередь, используя равенство E _u·E _v=0, установить отношение:

E _u·e _y= E _u·e _z=0, в соответствии с гипотезой о развязке диполей.

Затем, учитывая факт, что E _u·k=0, делается вывод о равенстве E _u·e _x=0, что находится в противоречии с исходным предположением. Выводом по поводу этого умозаключения, полученного доказательством от противного, является то, что невозможно полностью развязать две ортогональных моды, если кристалл срезан по оси <111>. Теперь рассматривается обратный случай, в котором кристалл срезан по оси <100>. Волновой вектор падающей волны записывают здесь в виде k=k e _x, и поляризация собственных ортогональных мод принимает вид:

E _u= E _u0(e _y cos α+e _z sin α) и E _v= E _v0(-e _y sin α+e _z cos α),

где угол α зависит от ориентации осей e _y и e _z относительно поляризации собственных осей резонатора. В частности, когда кристалл ориентирован таким образом, что α=0, то система находится в такой ситуации, в которой мода E _u взаимодействует лишь с семейством диполя de _y, а мода E _v взаимодействует лишь с семейством диполя de _z. Следовательно, речь идет о полной развязки двух мод, что невозможно с кристаллом со скосом по оси <111>. В заключение, эта простая модель иллюстрирует заинтересованность в срезе по оси <100> чтобы развязать моды ортогональной поляризации в среде усиления.

На фиг. 2 представлена общая блок-схема лазерного гироскопа-«мультигенератора» согласно изобретению. Он включает главным образом:

- кольцевой оптический резонатор 1;

- твердотельную усиливающую среду 2 ;

- измерительное устройство 6;

- устройство подстройки 3 интенсивности излучения противоположно распространяющихся мод и

- устройство подавления слепой зоны 4.

Блок выполнен таким образом, что первая распространяющаяся линейно поляризованная мода и вторая распространяющаяся линейно поляризованная мода, перпендикулярно первой моде, могут распространяться в первом направлении в резонаторе и что третья распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно первой моде, и четвертая распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно второй моде, могут распространяться в противоположном направлении в резонаторе. Направления поляризации этих мод представлены жирными стрелками на фиг. 2.

Усиливающая среда может представлять собой кристалл АИГ, легированный неодимом, который срезан таким образом, что входная и выходная грани света перпендикулярны кристаллографическому направлению <100> или, что равнозначно, <010> или <001>. Кристалл ориентирован так, что он минимизирует связь между ортогональными модами.

Оптическая накачка может быть осуществлена, например, одним или двумя лазерными диодами 5, которые излучают в ближнем инфракрасном диапазоне (обычно на 808 нм). В первом варианте осуществления, показанном на фиг. 3, может быть использован единичный диод 5 накачки, линейно поляризованный по направлению, определяемому биссектрисой угла, образованного направлениями состояний поляризации собственных мод лазерного резонатора. Во втором варианте осуществления, показанном на фиг. 4, могут быть использованы два лазерных диода 5, излучающих в противоположных направлениях, каждый из них линейно поляризован по одной из собственных осей лазерного резонатора. На этих фигурах направления поляризации лучей, испускаемых диодами, представлены жирными линиями.

На фиг. 5 показана общая блок-схема заявленного лазерного гироскопа-«мультигенератора», который включает в себя устройство подстройки интенсивности противоположно распространяющихся мод и второе устройство подавления слепой зоны с использованием фазосдвигающего устройства.

Фазосдвигающая система 4 может состоять, например, из фарадеевской среды 41 (например, кристалла TGG, помещенного в магнитное поле магнита), окруженной двумя полуволновыми пластинами 42 с длиной волны лазерного излучения. Во всяком случае, она должна иметь собственные линейные состояния, между которыми она индуцирует невзаимный фазовый сдвиг.

Система стабилизации интенсивностей 3 служит для разрешения проблемы конкуренции противоположно вращающихся мод, гарантируя присутствие и стабильность режима биений по всему диапазону функционирования лазерного гироскопа-мультигенератора. Она может состоять, например, из двух кристаллов - поляризационных селекторов 31 (двулучепреломляющие одноосные кристаллы, срезанные на 45° по их оптической оси, типа рутила или YVO4), которые окружают фарадеевский вращатель 32 (например, кристалл TGG или АИГ, помещенный в соленоид) и взаимный вращатель 33 (например, оптически нейтральный кристалл-вращатель типа кварца). Стабилизация интенсивностей обеспечивают, таким образом, посредством контура подстройки 35, который измеряет интенсивности противоположно вращающихся мод при помощи двух фотодиодов и инжектирует в окружающий фарадеевский вращатель соленоид ток, пропорциональный разности измеренных интенсивностей, как описано во французском патенте № 04 02706 С. Швартца, Ж. Фенье и Ж.П. Пошолля. Использование диафрагм 36 (как показано на фиг. 5) может быть необходимым для хорошего функционирования этого типа устройства, хотя по существу они не является обязательными.

Система детектирования 6 может быть системой детектирования, аналогичной тем, которые существуют на обычных лазерных гироскопах-мультигенераторах. В патенте US 3 741 657 (1973) K. Andringa «Laser gyroscope» или на публикацию W. Chow, J. Hambenne, T. Hutchings, V. Sanders, M. Sargent III and M. Scully «Multioscillator Laser Gyros», in IEEE Journal of Quantum Electronics 16 (9), 918 (1980), имеется дополнительная информация по этой теме. В общих чертах, система детектирования содержит:

- оптические средства, которые позволяют ввести интерференцию первой распространяющейся моды с третьей распространяющейся модой, с одной стороны, и второй распространяющейся моды с четвертой распространяющейся модой, с другой стороны;

- оптоэлектронные средства, которые позволяют определить первую разность оптической частоты между первой распространяющейся модой и третьей распространяющейся модой, с одной стороны, и вторую разность частоты между второй распространяющейся модой и четвертой распространяющейся модой, с другой стороны;

- электронные средства, которые позволяют реализовать разность между указанной первой разностью частоты и указанной второй разностью частоты.

1. Лазерный гироскоп-мультигенератор, который позволяет измерять угловую скорость или относительное угловое положение по определенной оси вращения, содержащий, по меньшей мере, один кольцевой оптический резонатор (1) и твердотельную усиливающую среду (2), и измерительное устройство (6), расположенные таким образом, что первая распространяющаяся линейно поляризованная мода и вторая распространяющаяся линейно поляризованная мода, перпендикулярно первой моде, могут распространяться в первом направлении в резонаторе и что третья распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно первой моде, и четвертая распространяющаяся линейно поляризованная мода, параллельно второй моде, могут распространяться в противоположном направлении в резонаторе, отличающийся тем, что усиливающая среда представляет собой симметричный кубический кристалл, содержащий входную грань и выходную грань, при этом кристалл срезан таким образом, что указанные грани по существу перпендикулярны кристаллографическому направлению <100>, причем углы падения различных мод на указанных гранях по существу перпендикулярны указанным граням, при этом лазерный гироскоп содержит, по меньшей мере, один лазерный диод (5), который осуществляет инверсию населенности усиливающей среды, при этом упомянутый диод излучает световой луч, который проходит через кристалл, при этом луч линейно поляризован в направлении, которое определяет биссектриса угла, образованного направлениями состояний поляризации собственных мод оптического резонатора.

2. Лазерный гироскоп-мультигенератор по п.1, отличающийся тем, что лазерный гироскоп содержит, по меньшей мере, два лазерных диода (5), которые осуществляют инверсию населенности усиливающей среды, при этом каждый из них излучает световой луч, при этом первый луч пересекает усиливающую среду в направлении, противоположном второму лучу, причем каждый луч линейно поляризован по одной из собственных осей лазерного резонатора и при этом направление поляризации первого луча перпендикулярно направлению поляризации второго луча.

3. Лазерный гироскоп-мультигенератор по п.1, отличающийся тем, что лазерный гироскоп включает в себя устройство подстройки (3) интенсивности противоположно распространяющихся мод, которое содержит, по меньшей мере:- первый оптический блок, состоящий из первого оптического вращателя (32) с невзаимным эффектом и оптического элемента (33), при этом указанный оптический элемент представляет собой, либо оптический вращатель с взаимным эффектом, либо двулучепреломляющий элемент, и при этом, по меньшей мере, один из эффектов или двойное лучепреломление могут регулироваться;- второй оптический блок, состоящий из первого устройства пространственной фильтрации (36) и первого оптического элемента (31) поляризационного разнесения;- третий оптический блок, состоящий из второго устройства пространственной фильтрации (36) и второго оптического элемента поляризационного разнесения (31), при этом второй оптический блок и третий оптический блок расположены с одной и другой стороны первого оптического блока, а третий оптический блок расположен симметрично второму оптическому блоку;и что лазерный гироскоп включает в себя также устройство (4) подавления слепой зоны, которое содержит:- четвертый оптический блок, состоящий последовательно из первой четвертьволновой пластины (42), второго оптического вращателя с невзаимным эффектом (41) и второй четвертьволновой пластины (42), основные оси которой перпендикулярны осям первой четвертьволновой пластины, при этом основные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины наклонены примерно под углом 45° относительно направлений линейной поляризации четырех распространяющихся мод, причем оптические частоты четырех мод все разные.

4. Система измерения угловых скоростей или относительных угловых положений по трем различным осям, отличающаяся тем, что она включает в себя три лазерных гироскопа-мультигенератора по одному из предыдущих пунктов, ориентированных в разных направлениях и установленных на общей механической конструкции.