Файл: Применения лазеров..pdf

анализ структуры мод кольцевого лазера аналогичен ана­ лизу, проводимому для лазеров с линейным резонатором [22]. Основное отличие заключается в том, что кольцевой лазер астигматичен относительно плоскости, в которой располо­ жен контур оптического пути луча в резонаторе, и к плос­ кости, ей перпендикулярной.

Следовательно, все расчеты должны быть выполнены дважды, отдельно для каждой плоскости, а апертура будет в общем случае эллиптической. Структура мод в резонаторе кольцевого лазера проанализирована детально в работе

[22].

На практике самой простой замкнутой конфигурацией является треугольник. Резонатор с таким контуром опти­ ческого пути можно получить с помощью только трех опти­ ческих элементов. Отличительной особенностью треуголь­ ного кольцевого резонатора является свойство замкнутости оптического пути в его плоскости [27], т. е. любая юсти­ ровка трех зеркал в нем приводит к образованию замкну­ того контура. К сожалению, этим свойством не обладает плоскость, нормальная к плоскости резонатора. Поэтому азимутальная юстировка является критичной.

Направление распространения лазерного излучения можно изменять с помощью зеркал или призм [41, 53]. Для минимизации взаимодействия мод за счет обратного рассеяния следует применять диэлектрические зеркала очень высокого_качества. В общем случае с помощью призм полного внутреннего отражения можно добиться меньшей величины обратного рассеяния, чем с помощью зеркал. Однако более высокая стоимость призм и более сложная юстировка ограничивают их применение. Кроме того, в призмах существует остаточное или вызванное напряже­ ниями двойное лучепреломление, которое в магнитных по­ лях может приводить к сдвигу нуля [27]. Для уменьшения эффектов взаимодействия волн за счет обратного рассея­ ния и сдвига нуля в магнитном поле, обусловленного двулучепреломлением, резонатор должен содержать как можно меньше оптических элементов. На практике генерацию в лазерном гироскопе можно осуществить только с внутрен­ ними зеркалами и апертурными отверстиями в резонаторе.

На фиг. 30 приведена схема такого гироскопа [52]. Для жесткости корпус изготовлен из сплошного куска плавленого кварца, в котором просверлены каналы для активной среды и электрических вводов. Резонатор лазера юстируется в процессе изготовления путем полировки по­ верхностей кварцевого блока. На эти поверхности устана-

Ф и г. 30. Схема лазерного гироскопа, корпус которого сделан из сплошного куска плавленого кварца.

вливаются на оптический контакт подложки диэлектричес­ ких зеркал. Для устранения сдвига нуля за счет ленгмюровских потоков разряд возбуждается по симметричной схеме и состоит из двух раздельных промежутков со сбалансиро­ ванными постоянными токами. Общий вид моноблочного кварцевого лазерного гироскопа показан на фиг. 31.

Вывод лазера из области захвата в гироскопах этого типа можно получить путем механических колебаний. Для созда­ ния смещения с помощью фарадеевской ячейки необходимо использование окон для ограничения разряда (чтобы в ре­ зонатор можно было ввести ячейку).

Применение окон и внешних зеркал ставит проблемы вакуумирования, увеличения вероятности загрязнений и

Ф и г . 31. Конструкция лазерного гироскопа в корпусе из сплош­ ного куска кварца.

уменьшения срока службы прибора. Однако эти трудности связаны с техническими возможностями, а не со свойствами самого лазерного гироскопа. Следует отметить, что в сис­ темах с внешними зеркалами резонатор должен быть пол­ ностью герметичен и по возможности вакуумирован, чтобы исключить сдвиг нуля, обусловленный эффектом френелев­ ского увлечения, и уменьшить обратное рассеяние от загрязняющих компонент воздуха, находящегося вне лазерных трубок.

Конструкция трехосного лазерного гироскопа, выпол­ ненного из сплошного куска кварца, показана на фиг. 32 [52].

9. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПОВ

Лазерные гироскопы имеют широкие перспективы при­ менения как в современных системах наведения, управле­ ния и навигации, так и в системах будущего.

Преимущества лазерных гироскопов обнаруживаются главным образом в бескарданных системах, в которых гироскоп жестко связан с объектом. Положение объекта вычисляется с помощью специализированного цифрового вычислительного устройства, которое выполняет преобра­

264 Фредерик Ароновиц

зование координат в системе, жестко связанной с объектом, к координатам опорной системы на основе данных о ско­ рости вращения или угле поворота, получаемых от трех лазерных гироскопов с взаимно ортогональной ориента­ цией осей.

Вычислительное. устройство, относительно дешевое и небольшое по размерам (для некоторых применений его объем составляет 300 см3), выполняет функции карданного подвеса и в действительности представляет собой «элек­ тронную карданную» систему.

По сравнению с карданными устройствами или их ана­ логами устройства с бескарданным подвесом обладают следующими преимуществами: меньшие размеры и вес, большая надежность, простота эксплуатации и низкая стоимость.

Недостатки бескарданных систем — это главным об­ разом недостатки обычных гироскопов, которые в бескар­ данной системе имеют ограниченную максимальную изме­ ряемую угловую скорость. Кроме того, существуют огра­ ничения на их характеристики, которые обусловлены не­ обходимостью постоянной магнитной перебалансировки для уравновешивания внутренних моментов. В бескарданных системах устранение сдвига нуля характеристики гиро­ скопов сопряжено с большими трудностями, чем в кардан­ ных системах.

Лазерные гироскопы открывают новые перспективы развития и эксплуатации бескарданных систем, в частнос­ ти, для применений, в которых имеют место высокие ско­ рости вращения. Они могут работать на линейном участке характеристики вплоть до скоростей вращения 104 град/с. Единственным ограничением при этом является необхо­ димость использования быстродействующих схем счета интерференционных полос. Кроме того, лазерные гироскопы более устойчивы к сдвигу нуля при повторных включениях и выключениях системы, и время выхода на режим (время прогрева, стабилизации и время начальной настройки) у них меньше, чем у обычных гироскопов.

Случайный дрейф показаний лазерных гироскопов в настоящее время больше, чем в обычных гироскопах. Однако причины ошибок известны, поэтому в ближайшем будущем следует ожидать их уменьшения. Дрейф

влияние при длительном и непрерывном использовании лазерного гироскопа становится незначительным. Случай­ ный дрейф показаний гироскопа можно описать выраже­ нием (ѳо = K(tyt2.

К настоящему времени не обнаружена (ни теоретичес­ ки, ни экспериментально) какая-либо практически важная роль g- и ^-эффектов в лазерных гироскопах, так как их масса и импульс не оказывают влияния на измерения угло­ вой скорости. Это, безусловно, упрощает задачу конструи­ рования гироскопов.

Включение лазерного гироскопа практически мгновен­ но, а время выхода его на режим определяется в основном временем прогрева. Изменение характеристик гироскопа после включения связано со смещением его рабочей точки при изменении геометрических размеров резонатора в процессе нагревания. Возможны два способа сокращения времени выхода на режим. В первом способе гироскоп изготавливается из сплошного блока материала с малым коэффициентом теплового расширения, в результате чего уменьшается сама величина изменения характеристик. При втором способе эффект нагрева компенсируется эквива­ лентным уменьшением размеров резонатора с помощью подвижного зеркала, устанавливаемого на пьезоэлектри­ ческом элементе.

Исследования показали, что случайный и долговремен­ ный дрейф, а также его воспроизводимость при включениях меньше 0,1 град/ч. Большие отклонения масштабного коэф­ фициента лазерного гироскопа с переменным смещением (см. фиг. 13) наблюдаются лишь при скоростях вращения, равных максимуму смещения. Относительная величина этих отклонений не превышает 10-4.

Важной характеристикой лазерных гироскопов с точ­ ки зрения их применения в системах, которые работают в условиях знакопеременного углового перемещения, яв­ ляется симметрия коэффициента чувствительности отно­ сительно изменения направления вращения, необходимая для устранения эффекта накопления угловой ошибки.

К главным недостаткам лазерных гироскопов в настоя­ щее время можно отнести следующее:

1. Относительно большие размеры по сравнению с обыч­

ными гироскопами. (В настоящее время наименьшие раз­ меры лазерных гироскопов составляют: диаметр 10 см, высота 5 см; обычных гироскопов: диаметр 4,3 см, высота

7см.)

2.Недостаточно высокие для ряда навигационных применений точности, хотя отсутствие g- и ^-эффектов может улучшить точность систем управления баллистиче­

скими ракетами.

3. Ограниченный срок службы. Современные лазерные гироскопы со сроком службы 5000 ч вполне пригодны для многих применений. Однако для космических исследований требуются гироскопы с гораздо большим сроком службы.

Примером области применения, где лазерному гироскопу уже отдано предпочтение, являются системы наведения ракет. В этих системах лазерные гироскопы должны изме­ рять скорости вращения до нескольких сотен градусов в секунду, и выдерживать вибрации в сотни g. Размеры гиро­ скопов (трехосных) не должны превышать 19 см в диаметре и 23 см в высоту. Требуемый средний срок службы может достигать 11 000 ч.

Специфика этих применений — большие угловые ско­ рости ракеты, позволяющие исключить дополнительные схемы устранения синхронизации1).

4.Aronowitz F. (1968) Unpublished observations.

5.Aronowitz F. (1971). В печати.

p.130.

8.Багаев С. H., Троицкий Ю. В., Трошин Б. И.— «Оптика и спек­

троскопия», 1966, т. 21, стр. 768.Ч

ЧОтметим, что было предложено использовать кольцевые ла­ зеры в оптических стандартах частоты с уходом 10-11 [9*], а также

при изучении физики лазерных процессов: измерение естественной ширины линии генерации в Не—Ne-лазере [10*] и определение однородной ширины Yc^-перехода 1,63 мкм в гелии в зависимости от давления [11*].— Прим, перев.

p.446.

12.Беленое Э. М., Ораевский А. Н.— «ДАН СССР», 1968, т. 180,

стр. 56.

13.Беленов Э. М., Маркин Е. П., Морозов В. Н., Ораевский А. Н. «Письма в ЖЭТФ», 1966, т. 3, стр. 54.

V.36, p. 3351.

40.Hutchings T. J., Winocur J., Durrett R. H., Jacobs E. D.,

Zingery W. L.— “ Phys. R ev.” , 1967, v. 152, p. 467.

41.Hutchings T. J., Winocur J., Zingery W. L., “ 5th Symp. Uncon­ ventional Inertial Sensors.” , Brooklyn, Nav. Appl. Sei. Lab., 1969, p. 199.