RU211090U1

RU211090U1 - Optical resonator of a laser gyroscope

Info

Publication number: RU211090U1
Application number: RU2022100040U
Authority: RU
Inventors: Юрий Юрьевич Колбас; Юрий Дмитриевич Голяев; Константин Александрович Скопин
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2022-05-19

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована, преимущественно, в качестве резонатора оптического лазерного гироскопа. Требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств и уменьшении габаритных размеров резонаторов по ширине при сохранении условий для существенного увеличения оптического пути излучения с целью повышения точности лазерных гироскопов, в которых они используются, а также улучшения технологических и эксплуатационных характеристик, достигается в устройстве, содержащем систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, при этом зеркала системы размещены на внутренних поверхностях боковых граней полого корпуса резонатора, имеющего форму прямой шестигранной призмы, причем зеркала размещены по уровням так, что отражаясь от последнего зеркала уровня, луч направляется на первое зеркало ниже расположенного уровня, а отражаясь от последнего зеркала самого нижнего уровня, луч направляется на первое зеркало выше расположенного уровня. 2 ил.

The utility model relates to the field of measuring technology and can be used mainly as a resonator of an optical laser gyroscope. The required technical result, which consists in expanding the arsenal of technical means and reducing the overall dimensions of the resonators in width while maintaining the conditions for a significant increase in the optical path of radiation in order to improve the accuracy of laser gyroscopes in which they are used, as well as improve technological and operational characteristics, is achieved in the device, containing a system of mirrors that form an optical axis in the form of a closed broken line, while the mirrors of the system are placed on the inner surfaces of the side faces of the hollow body of the resonator, which has the shape of a straight hexagonal prism, and the mirrors are arranged in levels so that the beam is reflected from the last level mirror, the beam is directed to the first mirror is below the located level, and reflected from the last mirror of the lowest level, the beam is directed to the first mirror above the located level. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована, преимущественно, в качестве резонатора оптического лазерного гироскопа.The utility model relates to the field of measuring technology and can be used mainly as a resonator of an optical laser gyroscope.

Известен оптический резонатор [RU 2388123, H01S 3/05,27.08.2009], содержащий прозрачную плоскую пластину, ограниченную поверхностями полного внутреннего отражения света, оптический элемент ввода коллимированного излучения в резонатор и вывода излучения, а также скрепляющие элементы, при этом число полноотражающих поверхностей составляет 3, 4, 5 или 6, причем ими являются боковые грани пластины, которые могут плоскими или выпуклыми цилиндрическими или сферическими, тогда как их оси симметрии равномерно распределены в одной плоскости и пересекаются в одной точке, а оптический элемент ввода и вывода излучения расположен на одной из этих граней.An optical resonator is known [RU 2388123, H01S 3/05,27.08.2009], containing a transparent flat plate bounded by surfaces of total internal reflection of light, an optical element for input of collimated radiation into the resonator and output of radiation, as well as fastening elements, while the number of full-reflecting surfaces is 3, 4, 5 or 6, and they are the side faces of the plate, which can be flat or convex cylindrical or spherical, while their axes of symmetry are evenly distributed in one plane and intersect at one point, and the optical element for input and output of radiation is located on one of these edges.

Недостатком этого технического решения является относительно малая величина оптического пути коллимированного излучения в резонаторе, что ограничивает минимальную угловую скорость, измеряемую лазерным гироскопом, в котором может быть использован такой резонатор. Это снижает точность измерений.The disadvantage of this technical solution is the relatively small optical path of the collimated radiation in the resonator, which limits the minimum angular velocity measured by a laser gyroscope in which such a resonator can be used. This reduces the measurement accuracy.

Попытки устранения этого недостатки и создания условий для увеличения оптического пути такого резонатора приводит к существенному увеличению габаритов, что не всегда допустимо в системах, где они применяются.Attempts to eliminate this shortcoming and create conditions for increasing the optical path of such a resonator leads to a significant increase in dimensions, which is not always acceptable in systems where they are used.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является оптический резонатор [RU 2388123, H01S 3/05,27.08.2009], содержащий систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, причем зеркала системы установлены вдоль поверхностей кольцевой полости, образованной цилиндрическими коаксиальными поверхностями, при этом зеркала расположены относительно друг друга так, что образуют в сечении, перпендикулярном оси коаксиальных цилиндрических поверхностей, оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, отрезки которой пересекают кольцевую полость.The closest in technical essence to the proposed one is an optical resonator [RU 2388123, H01S 3/05,27.08.2009], containing a system of mirrors forming an optical axis in the form of a closed broken line, and the mirrors of the system are installed along the surfaces of the annular cavity formed by cylindrical coaxial surfaces , while the mirrors are located relative to each other so that they form, in a cross section perpendicular to the axis of the coaxial cylindrical surfaces, an optical axis in the form of a closed broken line, the segments of which intersect the annular cavity.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно большие габаритные размеры, определяемые диаметром окружности, образованной сечением большей из двух коаксиальных цилиндрических поверхностей. Попытки устранения этого недостатки и создания условий для увеличения оптического пути такого резонатора путем уменьшения диаметра окружности, образованной сечением меньшей из двух коаксиальных цилиндрических поверхностей, приводит к существенным сложностям в изготовлении и юстировке зеркал, размещаемых на ней, и, таким образом, к существенным ухудшениям технологических и эксплуатационных характеристик.The disadvantage of the closest technical solution is the relatively large overall dimensions, determined by the diameter of the circle formed by the cross section of the larger of the two coaxial cylindrical surfaces. Attempts to eliminate this shortcoming and create conditions for increasing the optical path of such a resonator by reducing the diameter of the circle formed by the cross section of the smaller of the two coaxial cylindrical surfaces leads to significant difficulties in the manufacture and alignment of the mirrors placed on it, and, thus, to significant deterioration in technological and performance characteristics.

В то же время, на объектах специальной техники при существенных ограничениях на габаритные размеры резонатора относительно его ширины возможны условия, когда ограничения на размеры резонатора по высоте являются менее жесткими. Однако имеющийся арсенал технических средств не позволяет использовать эти возможности и создавать условия для увеличения оптического пути излучения в таком резонаторе с целью повышения точности лазерных гироскопов, в которых они применяются.At the same time, on objects of special equipment, with significant restrictions on the overall dimensions of the resonator relative to its width, conditions are possible when the restrictions on the dimensions of the resonator in height are less stringent. However, the existing arsenal of technical means does not allow using these possibilities and creating conditions for increasing the optical path of radiation in such a resonator in order to improve the accuracy of laser gyroscopes in which they are used.

Задачей, которая решается в предложенной полезной модели, является создание резонаторов с меньшими габаритами по ширине при сохранении условий для существенного увеличения оптического пути излучения.The task that is solved in the proposed utility model is the creation of resonators with smaller dimensions in width while maintaining the conditions for a significant increase in the optical path of radiation.

Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств и уменьшении габаритных размеров резонаторов по ширине при сохранении условий для существенного увеличения оптического пути излучения с целью повышения точности лазерных гироскопов, в которых они используются, а также улучшения технологических и эксплуатационных характеристик.The required technical result consists in expanding the arsenal of technical means and reducing the overall dimensions of the resonators in width while maintaining the conditions for a significant increase in the optical path of radiation in order to improve the accuracy of laser gyroscopes in which they are used, as well as improve technological and operational characteristics.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее систему зеркал, образующих оптическую ось в виде замкнутой ломаной линии, согласно полезной модели, зеркала системы размещены на внутренних поверхностях боковых граней полого корпуса резонатора, имеющего форму прямой шестигранной призмы, причем зеркала системы размещены по уровням так, что отражаясь от последнего зеркала уровня, луч направляется на первое зеркало ниже расположенного уровня, а отражаясь от последнего зеркала самого нижнего уровня, луч направляется на первое зеркало выше расположенного уровня.The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that in a device containing a system of mirrors forming an optical axis in the form of a closed broken line, according to the utility model, the mirrors of the system are placed on the inner surfaces of the side faces of the hollow body of the resonator, having the shape of a straight hexagonal prism, moreover, the mirrors of the system are arranged by levels so that, reflected from the last mirror of the level, the beam is directed to the first mirror below the located level, and reflected from the last mirror of the lowest level, the beam is directed to the first mirror above the located level.

На чертежах представлены:The drawings show:

на фиг. 1 - оптический резонатор лазерного гироскопа, общий вид;in fig. 1 - optical resonator of a laser gyroscope, general view;

на фиг. 2 - пример хода лучей в оптическом резонаторе лазерного гироскопа.in fig. 2 - an example of the path of rays in the optical cavity of a laser gyroscope.

Оптический резонатор лазерного гироскопа содержит систему зеркал 1, образующих оптическую ось 2 в виде замкнутой ломаной линии.The optical cavity of the laser gyroscope contains a system of mirrors 1 forming an optical axis 2 in the form of a closed broken line.

В оптическом резонаторе лазерного гироскопа зеркала 1 системы размещены на внутренних поверхностях боковых граней полого корпуса 3 резонатора, имеющего форму прямой шестигранной призмы, причем зеркала 1 системы размещены по уровням так, что отражаясь от последнего зеркала уровня, луч направляется на первое зеркало ниже расположенного уровня, а отражаясь от последнего зеркала самого нижнего уровня, луч направляется на первое зеркало выше расположенного уровня.In the optical resonator of the laser gyroscope, the mirrors 1 of the system are placed on the inner surfaces of the side faces of the hollow body 3 of the resonator, which has the shape of a straight hexagonal prism, and the mirrors 1 of the system are placed in levels so that, reflected from the last level mirror, the beam is directed to the first mirror below the level, and reflected from the last mirror of the lowest level, the beam is directed to the first mirror above the located level.

Шестигранная призма, как показали экспериментальные исследования, обеспечивает хорошую технологичность изготовления резонатора и удобную настройку системы зеркал. Приемлемым допустимо использование 4- и 5-гранных призм. Использование призм с числом ранней больше 6 ощутимо усложняет изготовление и настройку устройства.The hexagonal prism, as shown by experimental studies, provides good manufacturability of the resonator and convenient adjustment of the mirror system. Acceptable is the use of 4- and 5-faced prisms. The use of prisms with an early number greater than 6 significantly complicates the manufacture and configuration of the device.

Внутри оптического резонатора лазерного гироскопа либо обеспечивают вакуум, либо заполняют гелий-неоновой газовой смесью.Inside the optical resonator of a laser gyroscope, a vacuum is either provided or filled with a helium-neon gas mixture.

Оптический резонатор лазерного гироскопа используется следующим образом.The optical cavity of the laser gyroscope is used as follows.

Предложенный оптический резонатор используется в лазерных гироскопах для измерения угловой скорости вращения объекта и представляет собой, фактически, кольцевой оптический резонатор [Ф. Ароновиц. Лазерные гироскопы в кн. Применение лазеров. Под ред. В.П. Тычинского. М., Мир, 1974 г.].The proposed optical resonator is used in laser gyroscopes to measure the angular velocity of an object and is, in fact, a ring optical resonator [F. Aronovits. Laser gyroscopes in the book. The use of lasers. Ed. V.P. Tychinsky. M., Mir, 1974].

Масштабный коэффициент K (минимальная измеряемая угловая скорость такого гироскопа) определяется площадью S и длиной периметра L для одноуровневого оптического резонатора:The scale factor K (the minimum measurable angular velocity of such a gyroscope) is determined by the area S and the perimeter length L for a single-level optical resonator:

где n- коэффициент преломления среды внутри резонатора, λ - длина волны оптического излучения.where n is the refractive index of the medium inside the resonator, λ is the wavelength of the optical radiation.

Поскольку используется несколько уровней зеркал, образующих многоуровневый резонатор, то луч в резонаторе совершает много проходов внутри резонатора, прежде чем вернется в исходное зеркало. Масштабный коэффициент К такого лазерного гироскопа будет определяться формулой:Since several levels of mirrors are used, forming a multilevel resonator, the beam in the resonator makes many passes inside the resonator before returning to the original mirror. The scale factor K of such a laser gyroscope will be determined by the formula:

где m - количество уровней зеркал.where m is the number of mirror levels.

Таким образом, в предложенном техническом решении достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении арсенала технических средств и уменьшении габаритных размеров резонаторов по ширине при сохранении условий для существенного увеличения оптического пути излучения с целью повышения точности лазерных гироскопов, в которых они используются, а также улучшения технологических и эксплуатационных характеристик.Thus, the proposed technical solution achieves the required technical result, which consists in expanding the arsenal of technical means and reducing the overall dimensions of the resonators in width while maintaining the conditions for a significant increase in the optical path of radiation in order to improve the accuracy of laser gyroscopes in which they are used, as well as improve technological and performance characteristics.

Claims

The optical resonator of a laser gyroscope, containing a system of mirrors forming an optical axis in the form of a closed broken line, characterized in that the mirrors of the system are placed on the inner surfaces of the side faces of the hollow body of the resonator, having the form of a straight hexagonal prism, and the mirrors of the system are placed in levels so that they are reflected from the last mirror of the level, the beam is directed to the first mirror below the level, and reflected from the last mirror of the lowest level, the beam is directed to the first mirror above the level.