RU218489U1

RU218489U1 - Device for measuring complex coupling coefficients in the ring cavity of a laser gyroscope

Info

Publication number: RU218489U1
Application number: RU2022129094U
Authority: RU
Inventors: Алексей Станиславович Бессонов; Артем Александрович Ионов; Евгений Александрович Петрухин; Владимир Павлович Черкун
Original assignee: Акционерное общество "Серпуховский завод "Металлист"
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2023-05-29

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в системах контроля параметров кольцевых резонаторов лазерных гироскопов. Устройство измерения комплексных коэффициентов связи позволяет на стадии сборки кольцевого резонатора прогнозировать величину порога захвата и нелинейных искажений лазерного гироскопа и осуществлять их раннюю отбраковку. Требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности и снижении времени измерений комплексных коэффициентов связи кольцевого резонатора, достигается тем, что излучение зондирующего лазера вводится в кольцевой резонатор через оптический смеситель, состоящий из полупрозрачной делительной пластинки и двух зеркал, снабженных пьезоэлектрическими корректорами, при измерении модулей комплексных коэффициентов связи, встречные волны поочередно закрываются экраном и при помощи фотоприемных устройств измеряются интенсивности прямых и обратных волн.

The utility model relates to measuring technology and can be used in systems for monitoring the parameters of ring resonators of laser gyroscopes. The device for measuring complex coupling coefficients makes it possible at the stage of assembling the ring resonator to predict the value of the capture threshold and nonlinear distortions of the laser gyroscope and to carry out their early rejection. The required technical result, which consists in increasing the accuracy and reducing the measurement time of the complex coupling coefficients of the ring resonator, is achieved by the fact that the radiation of the probing laser is introduced into the ring resonator through an optical mixer, consisting of a translucent dividing plate and two mirrors equipped with piezoelectric correctors, when measuring the modules of the complex coupling coefficients, the counterpropagating waves are alternately covered by a screen, and with the help of photodetectors, the intensities of forward and backward waves are measured.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в системах контроля параметров кольцевых резонаторов (КР) лазерных гироскопов (ЛГ). Предлагаемое устройство относится к области лазерных гироскопов на основе кольцевых He-Ne лазеров с длиной волны 632,8 нм (КЛ), используемых для решения многих задач навигации, измерения угловых перемещений, геодезии и геофизики. Одним из основных источников погрешности ЛГ является обратное рассеяние (ОР) на зеркалах кольцевого резонатора, приводящее к появлению зоны нечувствительности при малых скоростях вращения (так называемый порог захвата (ПЗ)) и нелинейным искажениям масштабного коэффициента [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999].The utility model relates to measuring technology and can be used in systems for monitoring the parameters of ring resonators (CR) of laser gyroscopes (LG). The proposed device belongs to the field of laser gyroscopes based on ring He-Ne lasers with a wavelength of 632.8 nm (CL) used to solve many problems of navigation, measuring angular displacements, geodesy and geophysics. One of the main sources of LG error is backscattering (RR) on the mirrors of the ring resonator, which leads to the appearance of a dead zone at low rotation speeds (the so-called capture threshold (TC)) and nonlinear distortions of the scale factor [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999].

OP характеризуется двумя комплексными коэффициентами связи (ККС), представляющие собой части полей встречных волн:OP is characterized by two complex coupling coefficients (CCC), which are parts of the fields of counter waves:

где r_cw,ccw - модули ККС, ϕ_cw,_ccw - фазовые сдвиги из-за ОР. Индексы «cw» и «ccw» означают направление по и против часовой стрелки.where r _cw,ccw are CCS modules, ϕ _cw , _ccw are phase shifts due to OR. Indexes "cw" and "ccw" mean the direction clockwise and counterclockwise.

Из структуры трех уравнений, описывающих амплитудно-частотные характеристики КЛ, следует, что фазовые сдвиги, возникающие при ОР, входят в них в виде суммы (ϕ=ϕ_cw+ϕ_ccw). Поэтому под ККС подразумевают три параметра: два модуля (r_cw и r_ccw) и суммарный фазовый сдвиг (ϕ).From the structure of the three equations describing the amplitude-frequency characteristics of the CL, it follows that the phase shifts that occur during OR enter them as a sum (ϕ=ϕ _cw +ϕ _ccw ). Therefore, CCS means three parameters: two moduli (r _cw and r _ccw ) and total phase shift (ϕ).

Аналитическое решение этой системы уравнений удается получить в приближении слабой связи, когда угловая скорость вращения ЛГ (Ω) значительно превышает величину порога захвата (Ω_L). В этом случае нелинейная поправка к масштабному коэффициенту (К) ЛГ без частотной подставки имеет следующий вид:An analytical solution of this system of equations can be obtained in the weak coupling approximation, when the angular velocity of rotation of the LG (Ω) significantly exceeds the value of the capture threshold (Ω _L ). In this case, the nonlinear correction to the scale factor (K) of an LG without a frequency bias has the following form:

где Δυ - частота биений встречных волн ЛГ, Ω_g - прочность предельного цикла КЛ. Размерности частотных параметров даны в Гц. Параметры S_+,- - представляют собой следующую комбинацию ККС:where Δυ is the beat frequency of counterpropagating LG waves, Ω _g is the strength of the limiting cycle of the CL. The dimensions of the frequency parameters are given in Hz. Parameters S _{+, -} - represent the following combination of KKS:

При описании эффектов ОР в ЛГ, ККС удобно представить в виде скалярной суммы двух типов источников ОР (r - диссипативного и R - консервативного), модули этих составляющих равны:When describing the effects of OR in LG, it is convenient to represent the CCS as a scalar sum of two types of OR sources (r - dissipative and R - conservative), the moduli of these components are equal:

Основное различие этих типов источников заключается в величине суммарного фазового сдвига: ϕ=2π (или 0) для диссипативного и ϕ=π для консервативного ОР. На языке знаков нелинейных поправок к масштабному коэффициенту это означает, что диссипативное ОР дает поправку отрицательного знака, а консервативное ОР - положительного знака.The main difference between these types of sources is the value of the total phase shift: ϕ=2π (or 0) for dissipative and ϕ=π for conservative OR. In terms of signs of nonlinear corrections to the scale factor, this means that the dissipative OR gives a correction of a negative sign, and the conservative OR gives a positive sign.

Величина ПЗ (в единицах Гц) связана с диссипативной составляющей ОР следующим соотношением:The value of PZ (in units of Hz) is related to the dissipative component of the RR by the following relationship:

Главной особенностью формирования ККС в КР является значительный разброс значений модулей диссипативных и консервативных составляющих собранных из зеркал примерно одинаковых по качеству. Связано это с физической природой формирования полей ОР в КР (так называемая спекл-структура полей OP) [J.C. Dainty. Laser Speckle and Related Phenomena (Berlin: Springer-Verlag, 1984)]. По этой причине, сборка и юстировка лазерных гироскопов на сегодняшний день представляет собой своеобразную «лотерею». При сборке большого количества ЛГ из зеркал одинаковых по качеству, величины стандартных отклонений измеряемых параметров S+и S. сопоставимы с их средними значениями.The main feature of the formation of QCS in the RC is a significant spread in the values of the moduli of the dissipative and conservative components collected from mirrors of approximately the same quality. This is due to the physical nature of the formation of OP fields in the RC (the so-called speckle structure of OP fields) [J.C. Dainty. Laser Speckle and Related Phenomena (Berlin: Springer-Verlag, 1984)]. For this reason, the assembly and alignment of laser gyroscopes today is a kind of "lottery". When assembling a large number of LGs from mirrors of the same quality, the standard deviations of the measured parameters S+ and S. are comparable to their average values.

Величины S₊ и S_- можно определить, опираясь на соотношение для нелинейных поправок к масштабному коэффициенту. Для этого измеряют зависимость масштабного коэффициента ЛГ от величины частотной подставки (Κ(Ω)) и решают обратную задачу (смотри, например, [С.Е. Бекетов, А.С. Бессонов, Е.А. Петрухин, И.Н. Хохлов, Н.И. Хохлов. Влияние обратного рассеяния на нелинейные искажения масштабного коэффициента лазерного гироскопа с прямоугольной подставкой. Квантовая электроника, 49, №11 (2019), стр. 1059]).The values of S ₊ and S _- can be determined based on the ratio for the non-linear corrections to the scale factor. To do this, measure the dependence of the LG scale factor on the value of the frequency bias (Κ(Ω)) and solve the inverse problem (see, for example, [S.E. Beketov, A.S. Bessonov, E.A. Petrukhin, I.N. Khokhlov , N. I. Khokhlov, Effect of backscattering on nonlinear distortions of the scale factor of a laser gyroscope with a rectangular base, Quantum Electronics, 49, no. 11 (2019), p. 1059]).

Главным недостатком такого метода является то, что величины параметров S₊ и S_- можно определить в работающем КЛ. Т.е., после проведения длительной и трудоемкой процедуры электровакуумной обработки и заполнения КР рабочей газовой смесью.The main disadvantage of this method is that the values of the parameters S ₊ and S _- can be determined in a working CL. That is, after a long and laborious procedure of electrovacuum processing and filling the CR with a working gas mixture.

На этой стадии сборки ЛГ ничего исправить уже нельзя. Можно только констатировать, является тестируемый ЛГ пригодным для решения поставленной задачи или нет.At this stage of the LG assembly, nothing can be fixed. It can only be stated whether the tested LG is suitable for solving the problem or not.

С этой точки зрения, представляют интерес методы измерения ККС в КР, непосредственно на стадии его сборки, когда он заполнен воздухом. Это позволяет своевременно отбраковать негодные резонаторы, производить повторные сборки, а также прогнозировать величины ПЗ и нелинейных поправок масштабного коэффициента ЛГ. С учетом того, что количество ЛГ, отбракованных по причинам, связанным с ОР может превышать 15-20% от общего количества собранных ЛГ, использование подобных методов имеет ощутимый экономический эффект.From this point of view, methods for measuring the CCF in the CR are of interest, directly at the stage of its assembly, when it is filled with air. This allows timely rejection of unusable resonators, reassembly, and also prediction of the values of the PZ and nonlinear corrections of the LG scale factor. Taking into account the fact that the number of LGs rejected for reasons related to OR may exceed 15-20% of the total number of collected LGs, the use of such methods has a significant economic effect.

Авторы патента [US 4884283 А, 28.11.1989] предложили способ контроля мощности ОР на стадии юстировки КР. С этой целью в измеряемом КР, при помощи излучения зондирующего лазера (ЗЛ), возбуждается собственное колебание. Величина мощности OP (I_BS), выходящего из КР, используется в качестве критерия юстировки. Юстируемое зеркало поворачивается на контактной поверхности моноблочного корпуса КР, чтобы добиться минимальной величины вклада зеркала в ОР. Авторы патента полагали, что уменьшение модуля ККС одной из встречных волн приводит к снижению диссипативной составляющей ОР (или ПЗ).The authors of the patent [US 4884283 A, November 28, 1989] proposed a method for controlling the power of the OR at the stage of adjusting the CR. For this purpose, in the measured RR, using the radiation of a probing laser (SL), an eigenoscillation is excited. The amount of power OP (I _BS ) coming out of the RC is used as an adjustment criterion. The mirror to be adjusted is rotated on the contact surface of the monoblock housing of the RR in order to achieve the minimum contribution of the mirror to the OR. The authors of the patent believed that a decrease in the modulus of the KKS of one of the counterpropagating waves leads to a decrease in the dissipative component of the OR (or PZ).

Эксперименты показали ошибочность такого априорного утверждения. С одной стороны, обнаруживается значительный разброс значений ОР, что указывает на спекл-структуру поля ОР. Но, с другой стороны, какой-либо заметной корреляционной связи между мощностью ОР (или модулем ККС) и ПЗ не наблюдается [Е.А. Петрухин, И.Н. Хохлов, Н.И. Хохлов. О корреляционной связи диссипативных и консервативных составляющих обратного рассеяния в кольцевом резонаторе лазерного гироскопа. Квантовая электроника, 51, №4 (2021), стр. 359]. Т.е., большая величина мощности ОР в КР не всегда приводит к большой величине ПЗ в ЛГ. А малая величина ОР не гарантирует малой величины ПЗ. Т.е., для корректной оценки величин ККС необходимо возбудить в КР собственные колебания во встречных направлениях.Experiments have shown the fallacy of such an a priori statement. On the one hand, a significant spread of RR values is found, which indicates the speckle structure of the RR field. But, on the other hand, there is no noticeable correlation between the power of the OR (or the KKS module) and the PZ [E.A. Petrukhin, I.N. Khokhlov, N.I. Khokhlov. On the correlation of dissipative and conservative components of backscattering in the ring resonator of a laser gyroscope. Quantum Electronics, 51, No. 4 (2021), p. 359]. That is, a large value of the OR power in the RR does not always lead to a large value of the PZ in the LG. And a small value of OR does not guarantee a small value of PZ. That is, for a correct assessment of the CCF values, it is necessary to excite eigenoscillations in the RR in opposite directions.

Этот подход был реализован в патенте [RU 2570096, C1, H01S 3/083, G01C 19/66 от 10.12.2015 В]. В КР возбуждают собственное колебание в одном из направлений. Во встречном направлении колебание возбуждается путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала (ВЗ). При продольном перемещении ВЗ в мощностях волн, выходящих из КР наблюдаются небольшие вариации (как правило, это доли процента), описывающиеся следующими соотношениями:This approach was implemented in the patent [RU 2570096, C1, H01S 3/083, G01C 19/66 dated 12/10/2015 B]. In the RR, an intrinsic oscillation is excited in one of the directions. In the opposite direction, the oscillation is excited by installing a ring resonator of the return mirror (VR) near the output mirror. With the longitudinal movement of the air intake, small variations are observed in the powers of the waves emerging from the RC (as a rule, these are fractions of a percent), which are described by the following relationships:

где

- невозмущенные мощности встречных волн, 1 - продольная координата ВЗ, δ - потери КР, Τ - коэффициент пропускания выходного зеркала КР, R - коэффициент отражения ВЗ.Where

- unperturbed power of counterpropagating waves, 1 - longitudinal coordinate of the air intake, δ - RC losses, Τ - transmittance of the output mirror of the RC, R - reflection coefficient of the air intake.

Эти вариации являются результатом интерференции полей ОР с полями встречных волн КР. При линейном изменении продольной координаты ВЗ, мы имеем гармонические вариации с периодом равным λ/2 (λ - длина волны излучения). Амплитуда вариаций пропорциональна модулям ККС, а сдвиг положений их экстремумов равен суммарному фазовому сдвигу ϕ=ϕ_cw+ϕ_ccw.These variations are the result of the interference of the OR fields with the fields of the counterpropagating RR waves. With a linear change in the longitudinal coordinate of the air intake, we have harmonic variations with a period equal to λ/2 (λ is the radiation wavelength). The amplitude of variations is proportional to the moduli of the CCS, and the shift in the positions of their extrema is equal to the total phase shift ϕ=ϕ _cw +ϕ _ccw .

Соотношение I_ccw(χ) используется при измерении модулей ККС. При этом, калибровочной величины является значение коэффициента пропускания выходного зеркала КР и коэффициента отражения ВЗ. Процесс измерения фазового сдвига и модулей ККС сводится к регистрации временных зависимостей мощностей изучений, выходящих из КР. Для этого, ВЗ снабжается пьезоэлектрическим корректором (ПЭК), к которому прикладывается напряжение пилообразной формы с периодом около 20 секунд. Амплитуда перемещения ВЗ составляет около 1λ.The ratio I _ccw (χ) is used when measuring the moduli of the KKS. In this case, the calibration value is the value of the transmittance of the output mirror of the RR and the reflection coefficient of the VZ. The process of measuring the phase shift and moduli of the CCS is reduced to recording the time dependences of the powers of the studies emerging from the CR. To do this, the VZ is equipped with a piezoelectric corrector (PEC), to which a sawtooth voltage is applied with a period of about 20 seconds. The displacement amplitude of the air intake is about 1λ.

Недостатком способа является относительная низкая точность измерений, связанная, главным образом, с несимметричным способом возбуждения мод резонатора во встречных направлениях. Как следствие, контрасты регистрируемых интерференционных картин для встречных волн значительно различаются.The disadvantage of this method is the relative low measurement accuracy associated mainly with the asymmetric method of excitation of the resonator modes in opposite directions. As a result, the contrasts of the recorded interference patterns for counterpropagating waves differ significantly.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения ККС, описанное в [Бессонов А.С., Макеев А.П., Петрухин Е.А. Измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевом резонаторе лазерного гироскопа. Квантовая электроника, 47, №7 (2017), стр. 675]. Величины ККС в нем измеряются при помощи двух оптических схем. При измерении модулей ККС используется схема с возвратным зеркалом, описанная выше. При измерении величины фазового сдвига из-за ОР используется схема с оптическим смесителем (Фиг. 1), при которой во встречных направлениях возбуждаются одинаковые по мощности встречные волны.Closest to the proposed device is a device for measuring the KKS described in [Bessonov A.S., Makeev A.P., Petrukhin E.A. Measurements of complex coupling coefficients in the ring cavity of a laser gyroscope. Quantum Electronics, 47, No. 7 (2017), p. 675]. The CCF values in it are measured using two optical schemes. When measuring the KKS modules, the circuit with a return mirror described above is used. When measuring the magnitude of the phase shift due to the OR, a scheme with an optical mixer is used (Fig. 1), in which counterpropagating waves of the same power are excited in opposite directions.

В этой схеме, за счет использования делительной 50% пластины, удается возбудить одинаковые мощности встречных волн. При перемещении зеркал оптического смесителя, вариации мощностей волн, выходящих из КР, описываются следующими соотношениями:In this scheme, due to the use of a dividing 50% plate, it is possible to excite the same powers of counterpropagating waves. When moving the mirrors of the optical mixer, the variations in the powers of the waves emerging from the RR are described by the following relations:

Как и в случае схемы с ВЗ, величина фазового сдвига из-за ОР (ϕ) определяется при регистрации временных зависимостей вариаций мощностей, выходящих из КР. Для этого к одному ПЭК оптического смесителя прикладывается пилообразное напряжение, а к другому гармоническая модуляция с частотой несколько сотен Гц. Последнее помогает значительно повысить отношение сигнал-шум при регистрации малых вариаций мощности.As in the case of a circuit with an air intake, the magnitude of the phase shift due to the OR (ϕ) is determined by recording the time dependences of the power variations coming out of the RR. To do this, a sawtooth voltage is applied to one PEC of the optical mixer, and harmonic modulation with a frequency of several hundred Hz is applied to the other. The latter helps to significantly increase the signal-to-noise ratio when registering small power variations.

В качестве основных недостатков этого устройства можно указать следующие. Во-первых, это длительность и трудоемкость процесса измерения, связанные с использованием двух оптических схем. При переходе с одной оптической схемы на другую приходится проводить повторную юстировку оптических элементов. Что затрудняет использование данного устройства в технологической цепочке сборки ЛГ.The main disadvantages of this device are the following. First, it is the duration and complexity of the measurement process associated with the use of two optical schemes. When switching from one optical scheme to another, it is necessary to re-adjust the optical elements. This makes it difficult to use this device in the technological chain of LG assembly.

Во-вторых, недостаточная точность измерения величин модулей ККС. Дело в том, что при использовании ВЗ в качестве калибровочного значения используется коэффициент пропускания выходного зеркала КР. При этом не учитываются факторы, существенным образом влияющие на точность калибровки модулей ККС.К ним относятся потери лазерного излучения при прохождении луча в тракте «В3-выходное зеркала», а также не полное согласование амплитудно-фазового фронта волны, отраженной от ВЗ с собственной модой КР.Secondly, the insufficient accuracy of measuring the values of the KKS modules. The point is that when using the VZ, the transmittance of the output mirror of the RR is used as a calibration value. This does not take into account the factors that significantly affect the calibration accuracy of the CKS modules. These include the loss of laser radiation during the passage of the beam in the "B3-output mirror" path, as well as the incomplete matching of the amplitude-phase front of the wave reflected from the air intake with the eigenmode KR.

Задача, которая решается в предложенной полезной модели заключается в снижении трудоемкости и времени измерений ККС в КР, а также в повышении их точности.The task that is solved in the proposed utility model is to reduce the complexity and time of measurements of the KKS in the CR, as well as to increase their accuracy.

Поставленная задача решается, а требуемый результат достигается тем, что в устройство оптического смесителя вводится экран, попеременно закрывающий одно из возбуждающих собственных колебаний КР, при помощи фото приемных устройств измеряются мощности прямой и обратной волн, выходящих из КР. В этом случае, при совпадении частоты излучения зондирующего лазера с частотой собственного колебания КР, мощности излучений прямых (I_cw,ccw) и обратных волн (I_BScw,ccw) описываются следующим соотношением:The problem posed is solved, and the required result is achieved by introducing a screen into the optical mixer device, which alternately covers one of the exciting eigenoscillations of the RR, using photodetectors, the powers of the forward and backward waves emerging from the RR are measured. In this case, when the probing laser radiation frequency coincides with the RR natural oscillation frequency, the radiation powers of forward (I _cw,ccw ) and backward waves (I _BScw,ccw ) are described by the following relationship:

т.е., перекрывая в оптическом смесителе волну в направлении по часовой стрелке, измеряется мощность обратной волны в направлении против часовой стрелки (и наоборот). В качестве калибровочного значения при измерении модулей ККС используется величина потерь КР, измеряемая в процессе юстировки.i.e., blocking the wave in the optical mixer in the clockwise direction, the power of the backward wave is measured in the counterclockwise direction (and vice versa). As a calibration value when measuring the KKS modules, the value of the RR losses measured during the adjustment process is used.

Использование такой процедуры измерения модулей ККС позволяет решить поставленную задачу. Значительно сокращается время измерений, которое в устройстве-прототипе составляет более одного часа. В предлагаемом устройстве время измерений требует нескольких минут Относительная погрешность при измерении модулей ККС не превышает 5%. Для сравнения в устройстве-прототипе она составляет 10-15%.The use of such a procedure for measuring the modules of the CCS allows us to solve the problem. Significantly reduces the measurement time, which in the prototype device is more than one hour. In the proposed device, the measurement time requires several minutes. The relative error in measuring the KKS modules does not exceed 5%. For comparison, in the prototype device, it is 10-15%.

На чертеже представлены:The drawing shows:

На фиг. 1 - принципиальная схема измерения фазового сдвига из-за ОР с использованием оптического смесителя.In FIG. 1 is a schematic diagram of measuring phase shift due to OR using an optical mixer.

На фиг. 2 - принципиальная схема заявляемого устройства.In FIG. 2 is a schematic diagram of the proposed device.

На фиг. 3 - временная зависимость мощности излучения, выходящего из КР при включении блока стабилизации частоты.In FIG. 3 - time dependence of the radiation power coming out of the RR when the frequency stabilization unit is turned on.

На фиг. 4 - временные зависимости пилообразного напряжения, прикладываемого к ПЭК оптического смесителя, и вариаций мощности встречных волн, выходящих из КР. cw - волна в направлении часовой стрелки, ccw - против часовой стрелки.In FIG. 4 - time dependences of the sawtooth voltage applied to the PEC of the optical mixer, and variations in the power of the counterpropagating waves emerging from the RR. cw - wave in clockwise direction, ccw - counterclockwise.

На чертеже обозначены:The drawing shows:

1 - кольцевой резонатор (КР), 2, 3, 4 и 5 - зеркала КР, 6 - 50% делительная пластина, 7, 8 - зеркала оптического смесителя, 9 - зондирующий лазер (ЗЛ), 10 - зеркало ЗЛ, снабженное ПЭК, 11 - выходное зеркало ЗЛ, 12 - блок питания ЗЛ, 13 - оптический изолятор (ОИ), 14, 15, 16, 17, 18 - поворотные зеркала, - 19 - фотоприемник, 20 - блок стабилизации частоты, 21 - генератор пилообразного напряжения, 22 - генератор переменного напряжения с частотой 260 Гц, 23 - блок управления ПЭК КР, 24 - блок регистрации (мощностей встречных волн, выходящих из КР), 25 - персональный компьютер, 26 - оптический экран.1 - ring resonator (RR), 2, 3, 4 and 5 - RR mirrors, 6 - 50% dividing plate, 7, 8 - optical mixer mirrors, 9 - probing laser (SL), 10 - RL mirror equipped with PEC, 11 - ZL output mirror, 12 - ZL power supply, 13 - optical isolator (OI), 14, 15, 16, 17, 18 - rotary mirrors, - 19 - photodetector, 20 - frequency stabilization unit, 21 - sawtooth voltage generator, 22 - alternating voltage generator with a frequency of 260 Hz, 23 - PEK KR control unit, 24 - registration unit (opposing wave powers coming out of the KR), 25 - personal computer, 26 - optical screen.

Предложенная полезная модель реализуется следующим образом (фиг. 2). Собственные колебания встречных волн измеряемого КР возбуждаются при помощи одномодового зондирующего He-Ne лазера (ЗЛ) 9 с длиной волны 632.8 нм. При помощи блока стабилизации частоты (БСЧ) 20 осуществляется частотная привязка частоты генерации ЗЛ к частоте собственных колебаний КР.The proposed utility model is implemented as follows (Fig. 2). Natural oscillations of counterpropagating waves of the measured RR are excited using a single-mode probing He-Ne laser (SL) 9 with a wavelength of 632.8 nm. With the help of the frequency stabilization unit (FSCh) 20, the frequency binding of the generation frequency of the ZL to the frequency of natural oscillations of the RR is carried out.

Стабилизация частоты осуществляется по амплитудным резонансам мощности, выходящего из КР излучения. С этой целью, часть мощности излучений встречных волн, выходящих из зеркала 5 (примерно 3%), подается на фото приемное устройство 19, выход которого подключается ко входу БСЧ 20.Frequency stabilization is carried out according to the amplitude resonances of the power coming out of the Raman radiation. For this purpose, a part of the power of the radiation of the counter waves coming out of the mirror 5 (about 3%) is fed to the photo receiving device 19, the output of which is connected to the input of the LFS 20.

В БСЧ используется сигнал ошибки, пропорциональный первой производной функции Лоренца (форма резонанса мощности) по времени. Для этого в управляющий сигнал пьезоэлектрического корректора (ПЭК) ЗЛ вводится небольшая по амплитуде (порядка ширины резонанса) гармоническая модуляция с частотой f≈10 кГц. Сигнал ошибки подается на вход ПИД-регулятора (пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор), выход которого подключается к ПЭК ЗЛ 10.The LFS uses an error signal that is proportional to the first derivative of the Lorentz function (power resonance shape) with respect to time. To do this, a small amplitude (of the order of the resonance width) harmonic modulation with a frequency f≈10 kHz is introduced into the control signal of the piezoelectric corrector (PEC) of the PL. The error signal is fed to the input of the PID controller (proportional-integral-derivative controller), the output of which is connected to the PEK ZL 10.

Измерения ККС проводятся при одном реперном значении частоты генерации. Напряжение на ПЭК технологического устройства устанавливается таким образом, чтобы резонансы мощности, выходящего из КР излучения наблюдались вблизи частоты генерации ЗЛ.The KKS measurements are carried out at one reference value of the generation frequency. The voltage on the PEC of the technological device is set in such a way that the resonances of the power coming out of the RR radiation are observed near the frequency of generation of the ZL.

Временная зависимость мощности излучения, выходящего из КР, представляет собой «гребенку» резонансов с периодом около 50 мксек, что соответствует удвоенному значению частоты модуляции (фиг 3).The time dependence of the radiation power coming out of the RR is a "comb" of resonances with a period of about 50 microseconds, which corresponds to twice the value of the modulation frequency (Fig. 3).

При измерении фазового сдвига, положение оптического экрана 26 находится в нейтральном положении, когда в КР возбуждаются собственные колебания встречных волн. ПЭК 7 оптического смесителя (ОС) подсоединяется к выходу генератора переменного напряжения 22 с частотой F=260 Гц и амплитудой 12 В (р-р). Это значение амплитуды соответствует (в данном устройстве) изменению периметра ОС примерно на λ/2. ПЭК 8 подсоединялся к выходу генератора пилообразного напряжения 21. Период напряжения пилообразной формы составляет 10-40 секунд. Амплитуда перемещения ПЭК составляет около 2 λ.When measuring the phase shift, the position of the optical screen 26 is in the neutral position when the eigenoscillations of the counterpropagating waves are excited in the RR. PEK 7 of the optical mixer (OS) is connected to the output of the alternating voltage generator 22 with a frequency of F=260 Hz and an amplitude of 12 V (p-p). This amplitude value corresponds (in this device) to a change in the OS perimeter by approximately λ/2. PEK 8 was connected to the output of the sawtooth voltage generator 21. The sawtooth voltage period is 10-40 seconds. The PEC displacement amplitude is about 2 λ.

В задачу блока 24 входит регистрация временных зависимостей переменных составляющих мощностей (вариаций мощностей) встречных волн с частотой 260 Гц. Этот блок состоит из двух фотоприемных устройств, выходы которых подсоединяются ко входам синхронных детекторов (С/Д). В качестве опорной частоты С/Д используется переменное напряжение с частотой F=260 Гц. В состав блока 24 входит также аналоговый цифровой преобразователь, в котором задействовано 3 канала: выходы СД и генератора пилообразного напряжения 21.The task of block 24 includes registration of the time dependences of the variable power components (power variations) of counter waves with a frequency of 260 Hz. This block consists of two photodetectors, the outputs of which are connected to the inputs of synchronous detectors (S/D). AC voltage with frequency F=260 Hz is used as reference frequency for S/D. The block 24 also includes an analog digital converter, in which 3 channels are involved: the outputs of the LED and the sawtooth voltage generator 21.

Запись и обработка временных зависимостей осуществлялась при помощи персонального компьютера. Типичный пример измерения временных зависимостей представлен на фиг. 4.Recording and processing of time dependencies was carried out using a personal computer. A typical example of measuring time dependences is shown in Fig. 4.

Временные зависимости переменных составляющих мощностей встречных волн представляют собой два сдвинутых по фазе «косинуса». В данном примере, при аппроксимации сигналов близких к противофазным (ϕ≈180°), в один из синхронных детекторов был введен дополнительный фазовый сдвиг 180°.The time dependences of the variable power components of the counterpropagating waves are two phase-shifted "cosines". In this example, when approximating signals close to antiphase (ϕ≈180°), an additional phase shift of 180° was introduced into one of the synchronous detectors.

Фазовый сдвиг, с учетом вычитания 180°, составил 12,5°. Знак фазового сдвига из-за ОР определяется склоном пилообразного напряжения: на одном склоне, «косинус» переменной составляющей волны в направлении часовой стрелки опережает, а на другом склоне отстает от волны в направлении против часовой стрелки.The phase shift, taking into account the subtraction of 180°, was 12.5°. The sign of the phase shift due to OR is determined by the slope of the sawtooth voltage: on one slope, the "cosine" of the variable component of the wave in the clockwise direction leads, and on the other slope it lags behind the wave in the counterclockwise direction.

При измерении модулей ККС оптический экран 26 поочередно закрывает одну из встречных волн КР. При этом синхронные детекторы блока регистрации 24 перестраиваются в режим измерения средних значений мощностей волн, выходящих из КР. С этой целью, в качестве опорного сигнала синхронных детекторов используется вторая гармоника гармонической модуляции БСЧ 20 (2f≈20 кГц).When measuring the CKS modules, the optical screen 26 alternately covers one of the counterpropagating RR waves. In this case, the synchronous detectors of the recording unit 24 are reconfigured to measure the average values of the powers of the waves coming out of the RR. For this purpose, the second harmonic of the harmonic modulation of the SFS 20 (2f≈20 kHz) is used as the reference signal of the synchronous detectors.

Измеряются две пары мощностей волн, выходящих из КР: в прямом направлении (I_cw.ccw) и обратном направлениях (I_BScw.ccw). Используя расчетные соотношения, определяются значения модулей ККС (r_cw,ccw).Two pairs of powers of the waves coming out of the RR are measured: in the forward direction (I _cw.ccw ) and in the reverse direction (I _BScw.ccw ). Using the calculated ratios, the values of the CCS moduli (r _cw,ccw ) are determined.

Основные технические характеристики предлагаемого устройства представим для случая 4-х зеркального КР с периметром 28 см и потерями 400 ppm.We present the main technical characteristics of the proposed device for the case of a 4-mirror RR with a perimeter of 28 cm and a loss of 400 ppm.

Мощность генерации ЗЛ - 150 мкВт,ZL generation power - 150 μW,

Минимальное значение измеряемых модулей ККС - 0,1 ppm. Относительная погрешность не более 5%,The minimum value of the measured KKS modules is 0.1 ppm. Relative error no more than 5%,

Погрешность измерения фазового сдвига 1-3° (в зависимости от величины модуля ККС).Phase shift measurement error 1-3° (depending on the value of the KKS module).

Устройство позволяет измерять ККС в КР, собранных из зеркал, коэффициент интегрального рассеяния которых составляет 0,5 ppm.The device makes it possible to measure the CCF in the RR assembled from mirrors, the integral scattering coefficient of which is 0.5 ppm.

Claims

A device for measuring complex coupling coefficients in the ring resonator of a laser gyroscope, comprising a probing laser with a mirror equipped with a piezoelectric corrector and an output mirror, the laser being connected to a frequency stabilization unit; an optical isolator that is configured to transmit the probing laser radiation to the first pivoting mirror; the first rotary mirror, configured to direct laser radiation into an optical mixer, consisting of a 50% dividing plate, an optical screen, which is configured to pass either both radiation waves into the ring resonator, or alternately cover one of the two radiation waves, and two mirrors with piezoelectric correctors, which are configured to direct the radiation of the probing laser into the ring resonator; while the piezoelectric correctors are made with the ability to connect to the outputs of the sawtooth voltage and alternating voltage generators, as well as four rotary mirrors and photodetectors, while the mirrors are installed in such a way that the waves coming from the ring resonator are directed to the photodetector, made with the ability to connect to the unit frequency stabilization, and to the registration unit, which measures the complex coupling coefficients with the help of photodetectors.