Кольцевой лазер для измерения угловых скоростей и перемещений

СООЭ СОВЕТСНИСОЦИАЛИСТИЧКСНРЕСПУВЛИН ц 4 Н 0 08 ВИДЕТЕЛЬСТВУ ТОРСК ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПо ДЯЛАМ ИЗОБ ЧТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Ордена Трудового КрасногоЗнамени институт физики АН БССР(56) 1. Авторское свидетельство ССУ 270359, кл. Н 01 Б 3/083, 1964.2, Патент США 9 3537027,кл. 331-94,5, опублик. 1970,(54) (57) КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЪХ СКОРОСТЕЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, состоящий из активного элементапомещенного в основной резонатор,и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью уменьшения влияния магнитного поля, невзаимный элемент выполнен из двух поляризаторов, междукоторыми установлены ячейка Фарадеяи циркулярная фазовая пластина,1 7430Изобретение 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 1 О фазовый элемент представляет собой ячейку Фарадея, помещенную между двумя четверть-волновыми пластинками, причем главные оси пластинок развернуты на угол 90 11.15Однако 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, а- частотная 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 нестабиль 35 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 в дополнительный - невэаимный Фазовый элемент. Невэаимный 5 О фазовый элемент состоит иэ двух четверть-волновых пластинок с развернуотыми на 90 главными осями, между которыми располагается ячейка Фарадея 121, Недостатком известного уст ройства является нестабильность разности частот встречных волн из-за нестабильности магнитного поля на 89 2ячейке Фарадея, обусловленной влиянием внешних магнитных полей, изме"нением постоянной Верде магнитногооптического материала и т.д. Нестабильность разности частот встречныхволн-частотной подставки приводит кошибкам измерения угловых скоростейи перемещений.Цель изобретения - уменьшениевлияния магнитного поля,Поставленная цель достигаетсятем, 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 ячейкеФарадея приводят к изменению углаповорота плоскости поляризации ячейкой Фарадея. Возникшую вследствиеэтого дополнительную составляющуюизлучения в плоскости, перпендикулярной плоскости пропускания полного поляризатора, в резонатор непропускают полные поляризаторы. Таким образом, волна, прошедшая черезневзаимное устройство, не вноситдополнительной разности фаз, котораявлияет на положение генерируемыхчастот и на величину частотной подставки.На 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,На схеме показаны зеркала 1-3,которые вместе с зеркалом 4 связиобразуют основной контур, зеркала 57 которые вместе с зеркалом 4 связи образуют дополнительный контур,активный элемент 8, блок 9 питанияактивного элемента, полные поляризаторы 10, которые пропускают лишьодну из компонент, ячейка 11 Фарадея,поворачивающая плоскость поляриэа 1ции на 90 О, циркулярная фазоваяпластинка 12, поворачивающая плосокость поляризации на 90 , оптическийсмеситель 13, Фотоприемник 14, регистрирующее устройство 15, пьезоэлементы 16 и системы 17 автоподстройки длин периметров контуров.Буквой Н и стрелкой обозначено маг"нитное поле, наложенное на ячеикуФарадея.В основном контуре находитсяактивный элемент 8, в качестве ко 743089торого используют обычную гаэоразрядную трубку с брюстеровскими окнами, наполненную гелий-неоновойсмесью. В дополнительном контурерасположен невэаимный элемент, состоящий из двух поляризаторов 10,главнье оси которых совпадают, иячейки 11 Фарадея с циркулярной фаэовой пластинкой 12 между кими. Вкачестве поляризатора можно использовать поляриэационные призмы, поляроиды и т.д. Ячейка 11 Фарадеяперемещена в продольное магнитноеполе, создаваемое с помощью соленоида, через обмотку которого проходит постоянный ток, или с помощьюпостоянного 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 черезопластинку 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 дляо 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 15 представляет собой стандартную радиотехническую аппаратуру и обеспе 25 30 35 40 45 50 55 чивает выделение и измерение разности двух, близких по величине частот межмодовых биений, содержащихся в фототоке приемника излучения 14. Пьезоэлементы 6 и системы авто- подстройки 17 служат для автоподстройки длин периметров резонаторов с целью настройки частот продольных мод основного контура относительно кривой усилекия и совамещения резонансов дополнительного контура относительно продольных мод сложного резокатора. В качестве пьезоэлементов 16 и систем авто- подстройки 17, а также в качестве остальных деталей и узлов (зеркала 1,2,3,5, 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 дополни" тегьного 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 плосокость поляризации на 90 , затем циркулярная фаэовая пластинка поворачивает плоскость поляризации доползнительно ка 9 о , поэтому плоскость поляризации поворачиваегся на 180Излучение 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 нао90 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 характеристики резонатора смещены одна. относительно другой. Минимальным потерям в одном направлении соответствуют максимальные потери в другом и наоборот. При совмещении с помощью систем авто- подстройки 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 не- взаимном элементе и длинами периметров основного и дополнительного контуров достигается режим генерации на типах колебаний ТЕМ и п сложного резонатора с разкьпчи для встречных направлений аксиальиыми индексами . Изменение магнитных полей приводит к отклонению угла поворота плоскости поляризации в ячейке Фараодея 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 образом, изменение магнитного поля не влияет на стабильность частот, т.е. осуществляется реввщ нечувствительный к изменению магнитного поля.15 20 Работа кольцевого ОКГ поясняется фигурами 2,3 и 4, где 3 - оптическая частота, 13,145, 6,17 частоты семи продольных мод сложного резонатора, сплошными вертикальными линиями изображены продольные моды сложного резонатора, штриховыми линиями (фиг.4) - положения этих мод при вращении устройства: 3 4 /2 - величина смещения мод, вызванная вращением кольцевого ОКГ. Знаками плюс и минус обозначены направления распространения луча по и против часовой стрелки. Кривыми К(3 (фиг.2) и Я И 7 (фиг.3) изображены зависимости добротностей излучения в сложном кольцевом ОКГ для встречных волн, распространяющихся в основном контуре по и про 25 30 3540 45 50 55 тив часовой стрелки соответственно, .Ь- расстояние между максимумами добротности. Кривой К9) на фиг.4 изображен контур усиления рабочей линии.В 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 В+ 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 8 1 и 3смещены одна относительно другой на вейличину - т,е. области макси 2мальных добротностей в каждом иэ направлений соответствуют области минимальных добротностей во встречном направлении. Расстояние между максимумами добротности для встречных волн равно Ь/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 минимальных743689 Уиг,4Редактор И.федькина Техред З,Палий Корректор И. Эрд Заказ 7022/2 Тираж 637 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 35, Москва, Ж, РаушсПодписноекомитета СССРи открытийкая наб., д, 4/ 1130 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4 добротностей, В силу этого достигается частотный режим (Фиг.4). Здесьизображен случай, когда в пределахобласти генерации укладывается трипродольные моды сложного кольцевогогенератора. При вращении ОКГ происходит смещение генерируемых частот,и Фототок приемника излучения 12содержит частоты межмодовых биенийИ 39 и В Р - 8 3. Регистрирующееустройство 15 выделяет разностьчастот(в 1 1 84-(61-8) 28 которая непосредственно несет ин 4 юрмацию о вращении. В описываемомизображении осуществляется режим генерации кольцевого ОКГ, нечувствительный к иэменению магнитного поля. При этом оптические частоты для встречныхволн отличаются на величину межмодового расстояния. Таким образом, нестабильность магнитного поля наневзаимном элементе, изменения внешних полей не влияют на величину частотного разделения встречных лучей 1 О и не могут существенно изменить условия продольных мод. Поэтому в предлагаемом изобретении ошибки измеренияскорости вРащения, обусловленныенестабильностью частотной подставки, 15 значительно меньше, чем в известномустройстве. Это позволяет значительно увеличить точность измерениямалых частотных изменений, вызванных вращением.Г