RU2382333C2 - Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band - Google Patents

Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band Download PDF

Info

Publication number
RU2382333C2
RU2382333C2 RU2006102425/28A RU2006102425A RU2382333C2 RU 2382333 C2 RU2382333 C2 RU 2382333C2 RU 2006102425/28 A RU2006102425/28 A RU 2006102425/28A RU 2006102425 A RU2006102425 A RU 2006102425A RU 2382333 C2 RU2382333 C2 RU 2382333C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
polarization
modes
rotator
plane
Prior art date
Application number
RU2006102425/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006102425A (en
Inventor
Сильвен ШВАРТЦ (FR)
Сильвен ШВАРТЦ
Жилль ФЁНЬЕ (FR)
Жилль ФЁНЬЕ
Жан-Поль ПОШОЛЛЬ (FR)
Жан-Поль ПОШОЛЛЬ
Original Assignee
Талес
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Талес filed Critical Талес
Priority to RU2006102425/28A priority Critical patent/RU2382333C2/en
Publication of RU2006102425A publication Critical patent/RU2006102425A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2382333C2 publication Critical patent/RU2382333C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention is related to solid-state laser gyroscopes, intended for measurement of rotation speed or relative angular positions, and is used, in particular in the field of aeronavigation. Gyroscope comprises optical elements (8, 9) of polarisation separation, mutual (4) and nonmutual (5, 13) spinners of polarisation plane, as a result of which four linearly polarised optical modes are distributed in resonator (1), frequencies of which differ to a sufficient extent in order to avoid synchronisation of modes.
EFFECT: invention makes it possible to produce "fully optical" stable solid-state laser, which does not have movable parts and dead band.
8 cl, 7 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к гироскопам на твердотельных лазерах для измерения скорости вращения или угловых положений. Оборудование данного типа применимо, в частности, в области аэронавигации.The present invention relates to solid state laser gyroscopes for measuring rotational speed or angular positions. Equipment of this type is applicable, in particular, in the field of air navigation.

Лазерные гироскопы были разработаны около 30 лет назад и широко применяются в наше время. Принцип их работы основан на эффекте Саньяка, вызывающем возникновение разности частот Ω между двумя модами оптического излучения, распространяющимися в противоположных направлениях, что называют встречным распространением, из вращающегося двунаправленного кольцевого лазерного резонатора. Как правило, разность частот Ω равна:Laser gyroscopes were developed about 30 years ago and are widely used in our time. The principle of their operation is based on the Sagnac effect, which causes the appearance of a frequency difference Ω between two modes of optical radiation propagating in opposite directions, which is called counterpropagation, from a rotating bi-directional ring laser resonator. As a rule, the frequency difference Ω is equal to:

Ω=4Аω/λL,Ω = 4Aω / λL,

где L и А - соответственно длина и площадь резонатора; λ - средняя длина волны лазерного излучения без учета эффекта Саньяка; ω - угловая скорость вращения лазерного гироскопа.where L and A are the length and area of the resonator, respectively; λ is the average wavelength of laser radiation without taking into account the Sagnac effect; ω is the angular velocity of rotation of the laser gyro.

Используя значение Ω, полученное путем спектрального анализа биения двух излучаемых пучков, с высокой точностью получают значение ω.Using the value of Ω obtained by spectral analysis of the beat of two emitted beams, the value of ω is obtained with high accuracy.

При помощи электронного счетчика обусловленных биением интерференционных полос, перемещающихся во время изменения углового положения, также с высокой точностью получают относительное значение углового положения.Using an electronic counter due to the beating of interference strips moving during a change in the angular position, the relative value of the angular position is also obtained with high accuracy.

Для изготовления лазерного гироскопа необходимо решить несколько технических задач. Первая из них связана с качеством биения, возникающего между двумя лучами, которое определяет правильное функционирование лазера. Чтобы биение было точным, необходимы надлежащая стабильность и относительное сходство значений интенсивности излучения в обоих направлениях. Но в случае твердотельных лазеров вышеуказанные стабильность и сходство не гарантированы из-за мод-модовой конкуренции, в результате чего одна из двух встречных мод монопольно использует имеющееся усиление в ущерб другой моде. Проблема нестабильности двунаправленного излучения твердотельного кольцевого лазера может быть решена за счет применения контура противодействующей реакции, предназначенного для коррекции разности значений интенсивности двух встречных мод с приведением интенсивности к заданному значению. Такой контур воздействует на лазер, привязывая к направлению распространения его потери, например, при помощи взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и поляризующего элемента (патентная заявка 03 03645), или привязывая к направлению распространения его коэффициент усиления, например, при помощи взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и кристалла с поляризованным излучением (патентная заявка 03 14598). После такого согласования по интенсивности лазер излучает два встречных луча со стабильной интенсивностью и может применяться в качестве лазерного гироскопа.For the manufacture of a laser gyroscope, it is necessary to solve several technical problems. The first of these is related to the quality of the beating that occurs between the two beams, which determines the correct functioning of the laser. For the beat to be accurate, proper stability and relative similarity of the radiation intensity values in both directions are necessary. But in the case of solid-state lasers, the aforementioned stability and similarity are not guaranteed due to mode-mode competition, as a result of which one of the two opposite modes exclusively uses the available gain to the detriment of the other mode. The problem of the instability of bidirectional radiation from a solid-state ring laser can be solved by using an opposing reaction loop designed to correct the difference in the intensity values of two counter modes with the intensity brought to a predetermined value. Such a contour acts on the laser, linking to the direction of propagation of its loss, for example, using a reciprocal rotating element, a non-reciprocal rotating element and a polarizing element (patent application 03 03645), or tying its gain to the direction of propagation, for example, using a mutual rotating element , nonreciprocal rotating element and crystal with polarized radiation (patent application 03 14598). After such matching in intensity, the laser emits two oncoming beams with a stable intensity and can be used as a laser gyroscope.

Вторая техническая сложность связана с малыми скоростями вращения, поскольку лазерные гироскопы работают точно лишь за пределами некоторой скорости вращения. При малой скорости вращения сигнал биений Саньяка исчезает из-за взаимодействия двух встречных мод, также известного как синхронизация или сцепление мод (синхронизм), что обусловлено обратным рассеянием света на различных оптических элементах, находящихся в резонаторе. Диапазон скоростей вращения, в котором наблюдается данное явление, обычно называют зоной нечувствительности (мертвой зоной), и он соответствует минимальной частоте биений порядка нескольких десятков килогерц. Эта проблема присуща не только твердотельным лазерам, она также характерна и для гироскопов на газовых лазерах. Наиболее распространенное решение применительно к лазерным гироскопам указанного второго типа заключается в приведении прибора в действие механически путем сообщения ему принудительного и известного движения, которое искусственно как можно чаще выводит гироскоп за пределы зоны нечувствительности.The second technical difficulty is associated with low rotation speeds, since laser gyroscopes work precisely only outside a certain rotation speed. At a low rotation speed, the signal of the Sagnac beats disappears due to the interaction of two counterpropagating modes, also known as mode locking or mode coupling (synchronism), which is caused by backscattering of light by various optical elements located in the resonator. The range of rotation speeds in which this phenomenon is observed is usually called the dead band (dead zone), and it corresponds to a minimum beat frequency of the order of several tens of kilohertz. This problem is not only inherent in solid-state lasers, it is also characteristic of gyroscopes based on gas lasers. The most common solution with respect to laser gyroscopes of the indicated second type is to actuate the device mechanically by giving it a forced and known movement, which artificially removes the gyroscope as often as possible outside the dead zone.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в компоновке оптических устройств, необходимых для контроля нестабильности твердотельных лазеров с применением конкретных оптических устройств или приборов, устраняющих зону нечувствительности. Таким образом, изобретение позволяет получить "полностью оптический" стабильный твердотельный лазер, не имеющий подвижных частей и зон нечувствительности.The problem to which the invention is directed, is the layout of the optical devices necessary to control the instability of solid-state lasers using specific optical devices or devices that eliminate the deadband. Thus, the invention allows to obtain a "fully optical" stable solid-state laser that does not have moving parts and dead zones.

В частности, изобретение относится к лазерному гироскопу, содержащему по меньшей мере:In particular, the invention relates to a laser gyroscope containing at least:

- кольцевой оптический резонатор,- ring optical resonator,

- твердотельную активную среду,- solid state active medium,

- согласующее (подстраивающее) устройство, включающее первый оптический блок, состоящий из первого невзаимного вращателя плоскости поляризации и оптического элемента, представляющего собой взаимный вращатель плоскости поляризации или двулучепреломляющий элемент с возможностью регулирования по меньшей мере одного из эффектов или двулучепреломления, и- matching (tuning) device, comprising a first optical unit, consisting of a first nonreciprocal polarization plane rotator and an optical element, which is a mutual polarization plane rotator or birefringent element with the ability to control at least one of the effects or birefringence, and

- измерительный прибор,- measuring device,

отличающемуся тем, что указанный резонатор также содержитcharacterized in that the said resonator also contains

- второй оптический блок, состоящий из первого устройства пространственной фильтрации и первого оптического элемента поляризационного разделения,- a second optical unit, consisting of a first spatial filtering device and a first optical element of polarization separation,

- третий оптический блок, состоящий из второго устройства пространственной фильтрации и второго оптического элемента поляризационного разделения, причем второй и третий оптические блоки расположены по обе стороны от первого оптического блока симметрично друг другу,- a third optical unit, consisting of a second spatial filtering device and a second optical element of polarization separation, the second and third optical units being located symmetrically to each other on both sides of the first optical unit,

- четвертый оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины, второго невзаимного вращателя плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины, главные оси которых перпендикулярны главным осям первой четвертьволновой пластины,- the fourth optical unit, consisting of sequentially located the first quarter-wave plate, the second nonreciprocal rotator of the plane of polarization and the second quarter-wave plate, the main axes of which are perpendicular to the main axes of the first quarter-wave plate,

вследствие чего в резонаторе могут устанавливаться распространяющиеся в первом направлении первая линейно-поляризованная мода и вторая мода, линейно-поляризованная перпендикулярно первой, а также распространяющиеся в противоположном направлении третья мода, линейно-поляризованная параллельно первой, и четвертая мода, линейно-поляризованная параллельно второй, причем главные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины повернуты относительно направлений линейной поляризации четырех мод распространения излучения на угол 45°, а оптические частоты всех четырех мод различны.as a result, the first linearly polarized mode propagating in the first direction and the second mode, linearly polarized perpendicular to the first, and the third mode propagating in the opposite direction, linearly polarized parallel to the first, and the fourth mode, linearly polarized parallel to the second, can be installed in the resonator moreover, the main axes of the first quarter-wave plate and the second quarter-wave plate are rotated relative to the directions of linear polarization of the four propagation modes radiation at an angle of 45 °, and the optical frequency of the four modes are different.

В предпочтительном варианте измерительная система содержит:In a preferred embodiment, the measuring system comprises:

- оптические устройства, вызывающие интерференцию, с одной стороны, первой и третьей мод распространения излучения, а с другой стороны - второй и четвертой мод распространения излучения,- optical devices that cause interference, on the one hand, the first and third modes of radiation propagation, and on the other hand, the second and fourth modes of radiation propagation,

- оптоэлектронные устройства для определения, с одной стороны, первой разности оптических частот между первой и третьей модами распространения излучения, а с другой стороны - второй разности оптических частот между второй и четвертой модами распространения излучения,- optoelectronic devices for determining, on the one hand, the first optical frequency difference between the first and third radiation propagation modes, and on the other hand, the second optical frequency difference between the second and fourth radiation propagation modes,

- электронные устройства для получения разности между вышеупомянутыми первой разностью частот и второй разностью частот.- electronic devices for obtaining a difference between the aforementioned first frequency difference and the second frequency difference.

Первая разность частот и вторая разность частот, как правило, превышают значение примерно 100 кГц. Для получения углового положения полученную разность частот можно проинтегрировать по времени посредством электронного счетчика интерференционных полос.The first frequency difference and the second frequency difference, as a rule, exceed a value of about 100 kHz. To obtain the angular position, the obtained frequency difference can be integrated over time by means of an electronic counter of interference fringes.

В резонаторе целесообразно расположить двулучепреломляющую замедляющую пластину.It is advisable to arrange a birefringent retardation plate in the resonator.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения первый и второй оптические элементы поляризационного разделения представляют собой двулучепреломляющие замедляющие, или фазовые, пластины с плоскими параллельными сторонами, у которых ось двойного лучепреломления повернута относительно плоскости сторон на угол 45°.In a preferred embodiment of the invention, the first and second optical elements of polarization separation are birefringent retardant, or phase, plates with flat parallel sides, in which the birefringence axis is rotated by an angle of 45 ° relative to the plane of the sides.

В согласующее устройство целесообразно включить по меньшей мере пятый оптический блок, состоящий из третьего невзаимного вращателя плоскости поляризации и второго оптического элемента, представляющего собой двулучепреломляющий элемент или взаимный вращатель плоскости поляризации, двойное лучепреломление или взаимный эффект которых могут регулироваться, причем первая и третья моды распространения излучения проходят через первый невзаимный вращатель плоскости поляризации и первый оптический элемент, а вторая и четвертая моды распространения излучения - через третий невзаимный вращатель плоскости поляризации и второй оптический элемент. Двулучепреломляющие элементы представляют собой, в частности, двулучепреломляющие замедляющие (фазовые) пластины, такие как четвертьволновые пластины.It is advisable to include at least a fifth optical unit in the matching device, consisting of a third nonreciprocal polarization plane rotator and a second optical element, which is a birefringent element or mutual polarization plane rotator, the birefringence or mutual effect of which can be controlled, the first and third radiation propagation modes pass through the first nonreciprocal rotator of the plane of polarization and the first optical element, and the second and fourth modes radiation defamiliarisation - via the third non-reciprocal rotator and a second optical element. Birefringent elements are, in particular, birefringent retarding (phase) plates, such as quarter-wave plates.

Для лучшего понимания сущности изобретения и других его преимуществ ниже приведено описание изобретения, иллюстрирующее возможности его осуществления, не ограничивая их, и сопровождаемое прилагающимися чертежами, гдеFor a better understanding of the essence of the invention and its other advantages, the following is a description of the invention illustrating the possibilities of its implementation, without limiting them, and accompanied by the accompanying drawings, where

на фиг.1 изображена общая схема предлагаемого в изобретении лазерного гироскопа,figure 1 shows the General scheme proposed in the invention of a laser gyroscope,

на фиг.2 показан принцип действия взаимного вращателя плоскости поляризации,figure 2 shows the principle of operation of the mutual rotator of the plane of polarization,

на фиг.3 показан принцип действия невзаимного вращателя плоскости поляризации,figure 3 shows the principle of operation of a nonreciprocal rotator of the plane of polarization,

на фиг.4а показан принцип действия двулучепреломляющей замедляющей пластины для поляризационного разделения,on figa shows the principle of operation of the birefringent moderating plate for polarization separation,

на фиг.4б показана аналогичная схема такой замедляющей пластины в обобщенном формализме Джонса,on figb shows a similar diagram of such a retarding plate in the generalized Jones formalism,

на фиг.5 показано действие первого, второго и третьего оптических блоков в направлении прямого распространения излучения,figure 5 shows the action of the first, second and third optical units in the direction of direct propagation of radiation,

на фиг.6 показано действие первого, второго и третьего оптических блоков в направлении прямого распространения излучения в видоизмененном варианте осуществления изобретения,figure 6 shows the action of the first, second and third optical units in the direction of direct propagation of radiation in a modified embodiment of the invention,

на фиг.7 показано действие четвертого оптического блока для первой и второй мод распространения излучения.7 shows the action of the fourth optical unit for the first and second modes of radiation propagation.

Предлагаемые в изобретении устройства должны выполнять две конкретные функции:Proposed in the invention of the device must perform two specific functions:

- согласовывать встречные моды по интенсивности,- coordinate counter modes in intensity,

- устранять зону нечувствительности,- eliminate the dead zone,

- не вводить систематической ошибки измерений.- do not introduce a systematic measurement error.

Для выполнения названных функций устройства генерируют внутри резонатора четыре оптические моды, линейно-поляризованные на различных частотах. Первая и вторая моды распространяются внутри резонатора в первом направлении, причем вторая мода распространения излучения приобретает линейную поляризацию, перпендикулярную поляризации первой моды, вне четвертого оптического блока, а круговую поляризацию - в четвертом оптическом блоке. Третья и четвертая моды распространяются в противоположном направлении, причем третья и четвертая моды распространения излучения приобретают линейную поляризацию, параллельную поляризации соответственно первой и второй мод вне четвертого оптического блока, а круговую поляризацию - в четвертом оптическом блоке.To perform the above functions, the devices generate four optical modes linearly polarized at different frequencies inside the resonator. The first and second modes propagate inside the resonator in the first direction, and the second radiation propagation mode acquires a linear polarization perpendicular to the polarization of the first mode, outside the fourth optical block, and circular polarization in the fourth optical block. The third and fourth modes propagate in the opposite direction, and the third and fourth modes of radiation propagation acquire linear polarization parallel to the polarization of the first and second modes, respectively, outside the fourth optical block, and circular polarization in the fourth optical block.

В соответствии с изобретением эти четыре моды генерируются и контролируются посредством лазерного гироскопа, показанного на фиг.1, где оптический элемент представляет собой взаимный вращатель плоскости поляризации. Этот лазерный гироскоп имеет следующие основные компоненты:In accordance with the invention, these four modes are generated and controlled by the laser gyroscope shown in FIG. 1, where the optical element is a reciprocal rotator of the plane of polarization. This laser gyro has the following main components:

- кольцевой оптический резонатор 1, содержащий по меньшей мере одно частично отражающее зеркало 11 для обработки встречных мод распространения излучения вне резонатора,- ring optical resonator 1, containing at least one partially reflecting mirror 11 for processing counterpropagating modes of radiation propagation outside the resonator,

- твердотельную активную (усиливающую) среду 2,- solid-state active (reinforcing) medium 2,

- согласующее устройство 3, управляющее вращателем(-ями) 5, 6 плоскости поляризации (каналы управления показаны на схеме штрихпунктирными стрелками),- matching device 3, which controls the rotator (s) 5, 6 of the plane of polarization (control channels are shown in the diagram with dash-dot arrows),

- измерительный прибор 6,- measuring device 6,

- оптическую систему, включающую- an optical system including

i) первый оптический блок, состоящий из первого невзаимного вращателя 5 плоскости поляризации и взаимного вращателя 4 плоскости поляризации,i) a first optical unit consisting of a first nonreciprocal rotator 5 of the polarization plane and a reciprocal rotator 4 of the polarization plane,

ii) второй оптический блок, состоящий из первого устройства 7 пространственной фильтрации и первого оптического элемента 8 поляризационного разделения,ii) a second optical unit, consisting of a first spatial filtering device 7 and a first polarization separation optical element 8,

iii) третий оптический блок, состоящий из второго устройства 10 пространственной фильтрации и второго оптического элемента 9 поляризационного разделения, причем второй и третий оптические блоки расположены по обе стороны от первого оптического блока симметрично друг другу,iii) a third optical unit, consisting of a second spatial filtering device 10 and a second polarization separation optical element 9, the second and third optical units being located symmetrically to each other on both sides of the first optical unit,

- четвертый оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины 12, второго невзаимного вращателя 13 плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины 14, главные оси которой повернуты на 90° относительно осей первой четвертьволновой пластины.- the fourth optical unit, consisting of sequentially located the first quarter-wave plate 12, the second nonreciprocal rotator 13 of the plane of polarization and the second quarter-wave plate 14, the main axes of which are rotated 90 ° relative to the axes of the first quarter-wave plate.

Оптическая система включает взаимный вращатель 4 плоскости поляризации и невзаимный вращатель 5 плоскости поляризации. О вращении плоскости поляризации волны (оптическом вращении) говорят как о невзаимном, если в оптическом компоненте с такой характеристикой после отражения волны (прохождения и возврата) эффекты вращения плоскости поляризации суммируются. Такой оптический компонент называют невзаимным вращателем плоскости поляризации. Например, материал с эффектом Фарадея - это материал, в котором при воздействии на него магнитным полем происходит вращение плоскости поляризации проходящих через него лучей. Этот эффект не является взаимным. Следовательно, плоскость поляризации того же луча, проходящего в противоположном направлении, повернется в том же направлении. Данный принцип проиллюстрирован на фиг.3. Направление (плоскость) поляризации линейно поляризованного луча 101 при прохождении этого луча через компонент 5 на эффекте Фарадея в прямом направлении (верхняя схема на фиг.3) поворачивается на угол β. Если через компонент на эффекте Фарадея снова пропустить такой же луч 103, направление (плоскость) поляризации которого ранее было повернуто на угол β и который распространяется в обратном направлении, направление (плоскость) его поляризации при прохождении через компонент снова повернется на угол β, при этом суммарный угол поворота после отражения составит 2β (нижняя схема на фиг.3).The optical system includes a mutual rotator 4 of the plane of polarization and a nonreciprocal rotator 5 of the plane of polarization. The rotation of the plane of polarization of the wave (optical rotation) is said to be nonreciprocal, if the effects of rotation of the plane of polarization are summed up in the optical component with this characteristic after reflection of the wave (transmission and return). Such an optical component is called a nonreciprocal polarization plane rotator. For example, a material with the Faraday effect is a material in which, when exposed to a magnetic field, the plane of polarization of the rays passing through it rotates. This effect is not mutual. Consequently, the plane of polarization of the same beam passing in the opposite direction will rotate in the same direction. This principle is illustrated in figure 3. The direction (plane) of polarization of the linearly polarized beam 101 when this beam passes through the component 5 on the Faraday effect in the forward direction (the upper diagram in figure 3) is rotated by an angle β. If the same beam 103 is again passed through the component based on the Faraday effect, whose polarization direction (plane) was previously rotated through angle β and which propagates in the opposite direction, its polarization direction (plane) will again be rotated through angle β when passing through the component, while the total angle of rotation after reflection will be 2β (lower diagram in figure 3).

В традиционном взаимном вращателе 4 при распространении излучения в прямом направлении направление поляризации поворачивается на угол +α, а при распространении в обратном направлении направление поляризации поворачивается на угол -α, в результате чего направление поляризации возвращается к исходному, как это проиллюстрировано на схемах, показанных на фиг.2.In a traditional reciprocal rotator 4, when the radiation propagates in the forward direction, the polarization direction is rotated by an angle + α, and when propagated in the opposite direction, the polarization direction is rotated by an angle -α, as a result of which the polarization direction returns to the original one, as illustrated in the diagrams shown in figure 2.

Оптическая система также имеет два оптических элемента поляризационного разделения. Существует множество геометрических конфигураций, обеспечивающих разделение поляризованных лучей. В качестве примера на фиг.4а показана двулучепреломляющая замедляющая (фазовая) пластина 8, которая обеспечивает линейное разделение поляризованных лучей. Замедляющая пластина имеет две плоские параллельные стороны и вырезана из одноосного двулучепреломляющего кристалла, характеризующегося показателем преломления обыкновенной волны и показателем преломления необыкновенной волны.The optical system also has two optical elements of polarization separation. There are many geometric configurations that provide separation of polarized rays. As an example, FIG. 4a shows a birefringent retarding (phase) plate 8, which provides a linear separation of polarized beams. The retardation plate has two flat parallel sides and is cut from a uniaxial birefringent crystal, characterized by the refractive index of an ordinary wave and the refractive index of an unusual wave.

Изменение показателя преломления обыкновенной волны в замедляющей пластине является сферическим, а изменение показателя преломления необыкновенной волны является эллипсоидным, как это показано пунктирной линией на фиг.4а. В зависимости от предпочтительного направления (оптической оси), показанного на фиг.4а двойной наклонной стрелкой, показатели преломления обыкновенной волны и необыкновенной волны равны. Замедляющая пластина вырезана вдоль плоскости, проходящей под углом 45° к данному направлению. На чертеже показано, что когда один световой пучок или луч с линейной поляризацией 102 падает по нормали на входную сторону двулучепреломляющей замедляющей пластины, при прохождении через замедляющую пластину он не меняет направление. Когда же на входную сторону двулучепреломляющей замедляющей пластины по нормали падает другой световой пучок или луч 101, линейно-поляризованный перпендикулярно лучу 102, то при прохождении через замедляющую пластину он смещается в пространстве. Таким образом, на выходе двулучепреломляющей замедляющей пластины оба луча 101 и 102 параллельны друг другу и разнесены на расстояние d, как это показано на фиг.4а, причем расстояние d зависит от оптических характеристик и толщины замедляющей пластины.The change in the refractive index of an ordinary wave in the retardation plate is spherical, and the change in the refractive index of an extraordinary wave is ellipsoidal, as shown by the dashed line in Fig. 4a. Depending on the preferred direction (optical axis) shown in FIG. 4a by the double oblique arrow, the refractive indices of the ordinary wave and the extraordinary wave are equal. The retardation plate is cut along a plane passing at an angle of 45 ° to this direction. The drawing shows that when one light beam or a beam with linear polarization 102 falls normal to the input side of the birefringent retardation plate, it does not change direction when passing through the retardation plate. When, however, another light beam or beam 101 linearly polarized perpendicular to beam 102 is incident normally on the input side of the birefringent moderating plate, then when it passes through the moderating plate it is shifted in space. Thus, at the exit of the birefringent moderator plate, both beams 101 and 102 are parallel to each other and spaced apart by a distance d, as shown in FIG. 4a, the distance d depending on the optical characteristics and thickness of the moderator plate.

На фиг.5 иллюстрируется работа оптической системы. На приведенной схеме показано прохождение через первый оптический блок первой моды 101 распространения излучения и второй 102 моды распространения излучения, имеющих линейную поляризацию. Перед первым устройством 7 пространственной фильтрации вектор линейной поляризации первой моды 101 лежит в плоскости листа, а вектор линейной поляризации второй моды 102 перпендикулярен плоскости листа. Указанные направления поляризации показаны прямыми стрелками. Очевидно, что при пространственной фильтрации такие направления поляризации сохраняются.Figure 5 illustrates the operation of the optical system. The diagram shows the passage through the first optical block of the first radiation propagation mode 101 and the second radiation propagation mode 102 having linear polarization. Before the first spatial filtering device 7, the linear polarization vector of the first mode 101 lies in the sheet plane, and the linear polarization vector of the second mode 102 is perpendicular to the sheet plane. The indicated polarization directions are shown by straight arrows. It is obvious that during spatial filtering, such directions of polarization are preserved.

Первая мода 101 распространения излучения с интенсивностью I1 проходит через первый оптический элемент 8 поляризационного разделения и, как показано, на выходе из него проходит параллельно своему направлению падения со смещением на расстояние d. Затем она проходит через взаимный вращатель 4 плоскости поляризации и далее невзаимный вращатель 5 плоскости поляризации. Соответственно, при прохождении луча через первый из вращателей направление поляризации луча поворачивается на угол α, а после прохождения через второй вращатель - на угол α+β. На выходе первого вращателя плоскости поляризации линейную поляризацию первой моды можно разложить на две ортогональные компоненты, первая из которых параллельна исходному направлению и имеет интенсивность, равную исходной интенсивности I1, умноженной на коэффициент cos2(α+β), a вторая перпендикулярна исходному направлению и имеет интенсивность, равную исходной интенсивности I1, умноженной на коэффициент sin2(α+β). Первая компонента проходит через второй оптический элемент 9 поляризационного разделения и смещается на расстояние -d, причем этот второй оптический элемент (поляризационного разделения) расположен симметрично первому, после чего компонента проходит через второе устройство 10 пространственной фильтрации без затухания, причем второе фильтрующее устройство расположено на той же оси, что и первое фильтрующее устройство. Вторая компонента проходит через второй оптический элемент 9 поляризационного разделения без смещения (пунктирная стрелка на фиг.5) и, следовательно, не может пройти через второе фильтрующее устройство.The first radiation propagation mode 101 with intensity I 1 passes through the first optical element 8 of polarization separation and, as shown, at the exit from it passes parallel to its direction of incidence with an offset of a distance d. Then it passes through the mutual rotator 4 of the plane of polarization and then the nonreciprocal rotator 5 of the plane of polarization. Accordingly, when a beam passes through the first of the rotators, the direction of polarization of the beam rotates through an angle α, and after passing through a second rotator, through an angle α + β. At the output of the first rotator of the plane of polarization, the linear polarization of the first mode can be decomposed into two orthogonal components, the first of which is parallel to the original direction and has an intensity equal to the initial intensity I 1 multiplied by the coefficient cos 2 (α + β), and the second is perpendicular to the original direction and has an intensity equal to the initial intensity I 1 times the coefficient sin 2 (α + β). The first component passes through the second optical element 9 of polarization separation and is shifted by a distance of -d, and this second optical element (polarization separation) is located symmetrically to the first, after which the component passes through the second spatial filtering device 10 without attenuation, and the second filtering device is located on that same axis as the first filtering device. The second component passes through the second optical element 9 of polarization separation without bias (the dashed arrow in FIG. 5) and, therefore, cannot pass through the second filtering device.

В конце хода коэффициент затухания первой моды 101 распространения излучения составляет cos2(α+β). Аналогично этому показано, что затухание второй моды 102 распространения излучения имеет такой же коэффициент. Третья и четвертая моды, распространяющиеся в противоположном направлении, также имеют одинаковый коэффициент затухания. Несложно доказать, что этот второй коэффициент равен cos2(α-β). Следует отметить, что лучи, задерживаемые в элементе для разделения излучения, в конечном итоге можно направлять на фотоприемники согласующей системы для получения данных об интенсивности лучей.At the end of the stroke, the attenuation coefficient of the first radiation propagation mode 101 is cos 2 (α + β). Similarly, it is shown that the attenuation of the second radiation propagation mode 102 has the same coefficient. The third and fourth modes propagating in the opposite direction also have the same attenuation coefficient. It is easy to prove that this second coefficient is cos 2 (α-β). It should be noted that the rays trapped in the radiation separation element can ultimately be directed to the photodetectors of the matching system to obtain data on the intensity of the rays.

Также следует отметить, что в устройстве подобного типа между двумя видами поляризации часто возникает взаимная разность фаз. Такая разность фаз выгодна, поскольку она соответствует смещению, способному исключить захват частоты (синхронизм), но его значение необязательно является достаточно высоким. При необходимости с помощью двулучепреломляющего элемента, помещенного в резонатор, создают дополнительную разность фаз.It should also be noted that in a device of this type between two types of polarization, a mutual phase difference often occurs. Such a phase difference is advantageous because it corresponds to a bias capable of eliminating frequency capture (synchronism), but its value is not necessarily high enough. If necessary, using the birefringent element placed in the resonator, an additional phase difference is created.

Таким образом, моды излучения имеют различное затухание в зависимости от направления распространения, причем затухание непосредственно зависит от значительности эффектов, повлиявших на поляризацию обеих мод. Итак, интенсивностью встречных мод можно управлять, регулируя по меньшей мере одну из двух величин α или β за счет эффектов или воздействий, испытываемых поляризацией этих мод при прохождении через согласующее устройство. Таким образом, интенсивность излучения различных мод согласуют, подстраивая ее к некоторому постоянному значению.Thus, the radiation modes have different attenuation depending on the direction of propagation, and the attenuation directly depends on the significance of the effects that influenced the polarization of both modes. Thus, the intensity of the counter modes can be controlled by adjusting at least one of the two values of α or β due to the effects or influences experienced by the polarization of these modes when passing through a matching device. Thus, the radiation intensities of different modes are coordinated by adjusting it to a certain constant value.

В данной конфигурации затухание первой и второй мод распространения излучения, с одной стороны, и третьей и четвертой мод распространения излучения, с другой стороны, происходит одинаково. Различные значения затухания для мод, распространяющихся в одном направлении, можно получить, используя два независимых контура с положительной обратной связью, каждый из которых воздействует на свою поляризацию. Данный принцип проиллюстрирован на фиг.6. Между вторым и третьим оптическими блоками, каждый из которых состоит из устройства пространственной фильтрации и оптического элемента поляризационного разделения, помещены два оптических блока, каждый из которых состоит из невзаимного 5, 51 и взаимного 4, 41 вращателей плоскости поляризации; этими двумя блоками независимо управляет согласующее устройство, не показанное на фиг.6. Безусловно, расстояние d между двумя поляризованными лучами должно быть достаточным для размещения разных вращателей плоскости поляризации. В данной конфигурации на пути разделенных лучей может быть расположена твердотельная активная среда 2, как это показано на фиг.6. Тогда оптическая накачка происходит в двух разных точках, причем диафрагма 10, являющаяся устройством пространственной фильтрации, обеспечивает пространственное наложение лучей вне устройства разделения лучей. Дополнительное преимущество данного варианта изобретения состоит в том, что все четыре моды полностью развязаны с точки зрения коэффициента усиления, за счет чего исключают конкуренцию мод.In this configuration, the attenuation of the first and second modes of radiation propagation, on the one hand, and the third and fourth modes of radiation propagation, on the other hand, is the same. Different attenuation values for modes propagating in one direction can be obtained using two independent loops with positive feedback, each of which affects its own polarization. This principle is illustrated in Fig.6. Between the second and third optical blocks, each of which consists of a spatial filtering device and an optical element of polarization separation, two optical blocks are placed, each of which consists of a non-reciprocal 5, 51 and mutual 4, 41 rotators of the plane of polarization; these two blocks are independently controlled by a matching device, not shown in FIG. Of course, the distance d between two polarized beams must be sufficient to accommodate different rotators of the plane of polarization. In this configuration, a solid-state active medium 2 may be located in the path of the divided beams, as shown in FIG. 6. Then the optical pumping occurs at two different points, and the diaphragm 10, which is a spatial filtering device, provides spatial superposition of the rays outside the beam separation device. An additional advantage of this embodiment of the invention is that all four modes are completely decoupled in terms of gain, thereby eliminating mode competition.

На фиг.7 показано действие четвертого оптического блока. Когда линейно поляризованная оптическая мода 101 (правая стрелка на фиг.7) проходит через первую четвертьволновую пластину 12, то если главная ось этой замедляющей пластины, обозначенная двойной стрелкой, повернута на угол 45° относительно направления поляризации, на выходе мода имеет правую круговую поляризацию (на фиг.7 сплошная полукруглая стрелка). При прохождении такой волны с круговой поляризацией через второй оптический невзаимный вращатель 13 плоскости поляризации она испытывает невзаимный фазовый сдвиг, получая разность фаз γ. Затем вторая четвертьволновая пластина 14, главная ось которой перпендикулярна главной оси первой четвертьволновой пластины 12, снова преобразует ее в волну с линейной поляризацией. Таким образом, в моду, проходящую через такой четвертый оптический блок, вводят невзаимный фазовый сдвиг (невзаимную разность фаз), сохраняя линейную поляризацию волны. Естественно, если волна поляризована линейно и перпендикулярно направлению 101, она преобразуется в волну с левой круговой поляризацией и получает невзаимную разность фаз γ.7 shows the action of the fourth optical unit. When the linearly polarized optical mode 101 (the right arrow in Fig. 7) passes through the first quarter-wave plate 12, then if the main axis of this slowing plate, indicated by a double arrow, is rotated by an angle of 45 ° relative to the direction of polarization, the output has a right circular polarization ( Fig. 7 is a solid semicircular arrow). When such a wave with circular polarization passes through the second optical nonreciprocal rotator 13 of the plane of polarization, it experiences a nonreciprocal phase shift, obtaining the phase difference γ. Then, the second quarter-wave plate 14, the main axis of which is perpendicular to the main axis of the first quarter-wave plate 12, again converts it into a wave with linear polarization. Thus, a non-reciprocal phase shift (non-reciprocal phase difference) is introduced into the mode passing through such a fourth optical unit, while maintaining the linear polarization of the wave. Naturally, if the wave is polarized linearly and perpendicular to the direction 101, it is converted into a wave with left circular polarization and receives a nonreciprocal phase difference γ.

Таким образом, при помощи описанных выше устройств внутри резонатора можно генерировать четыре моды, проходящие по две в двух противоположных направлениях, осуществлять их управляемое ослабление для поддержания их интенсивности на одинаковом уровне, а также вводить в такие моды взаимный и невзаимный фазовый сдвиг. Для определения собственных (нормальных) мод и их частот используют матричный формализм Джонса. В общем случае этот метод заключается в представлении влияния того или иного компонента на моду распространения оптического излучения посредством матрицы 2×2, отнесенной к плоскости, перпендикулярной направлению распространения оптических мод. В этом случае используется обобщенный формализм Джонса, адаптированный к случаю, где в резонаторе существуют два возможных пути распространения лучей, как было показано ранее. Назовем эти пути "верхним" и "нижним". В данном случае характерными матрицами являются матрицы 4×4. В ортонормированной системе координат (х, у), оси которой проходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения оптических лучей, электрическое поле оптической моды описывается вектором с четырьмя компонентами (Тх, Ту, Вх, By), где компоненты (Тх, Ту) представляют вектор Джонса электрического поля, вдоль верхнего пути, а компоненты (Вх, By) представляют вектор Джонса электрического поля вдоль нижнего пути, как это показано на фиг.4б, где оптические пути изображены проходящими внутри одноосной двулучепреломляющей замедляющей пластины, вырезанной под углом 45° к ее оптической оси 8.Thus, using the above-described devices, it is possible to generate four modes inside the cavity in two in two opposite directions, to carry out their controlled attenuation to maintain their intensity at the same level, and also to introduce a mutual and nonreciprocal phase shift into such modes. To determine the eigen (normal) modes and their frequencies, the Jones matrix formalism is used. In the general case, this method consists in representing the influence of one component or another on the propagation mode of optical radiation by means of a 2 × 2 matrix assigned to a plane perpendicular to the propagation direction of the optical modes. In this case, a generalized Jones formalism is used, adapted to the case where there are two possible paths of ray propagation in the resonator, as was shown earlier. We call these paths “upper” and “lower”. In this case, the characteristic matrices are 4 × 4 matrices. In an orthonormal coordinate system (x, y), whose axes lie in a plane perpendicular to the direction of propagation of optical rays, the electric field of the optical mode is described by a vector with four components (T x , T y , B x , B y ), where the components (T x , T y ) represent the Jones vector of the electric field along the upper path, and the components (B x , B y ) represent the Jones vector of the electric field along the lower path, as shown in Fig. 4b, where the optical paths are shown passing through the uniaxial birefringent moderator plate, cut at an angle of 45 ° to its optical axis 8.

Для получения результирующего влияния всех внутрирезонаторных компонентов, нужно лишь определить естественные состояния произведения различных матриц, представляющих эти компоненты. Поскольку такое произведение необязательно является коммутативным, матрица может изменяться в зависимости от направления распространения луча.To obtain the resulting effect of all intracavity components, it is only necessary to determine the natural states of the product of various matrices representing these components. Since such a product is not necessarily commutative, the matrix may vary depending on the direction of propagation of the beam.

В этом формализме первый оптический элемент поляризационного разделения, который состоит из двулучепреломляющего кристалла, вырезанного под углом 45° относительно его оптической оси, рассматривается, при прохождении через него луча в должном направлении, как компонент с двумя входами и двумя выходами, "верхним" и "нижним", который:In this formalism, the first optical element of polarization separation, which consists of a birefringent crystal cut at an angle of 45 ° relative to its optical axis, is considered, when a beam passes through it in the proper direction, as a component with two inputs and two outputs, the "upper" and " bottom "which:

- посылает компоненты Вх и Тх, которые сами распространяются параллельно оси обыкновенного луча сами по себе, и- sends the components B x and T x , which themselves propagate parallel to the axis of an ordinary ray by themselves, and

- "поднимает" компоненты By и Ту, которые распространяются параллельно оси необыкновенного луча, посылая их соответственно по Ту и 0. Компонента Ту либо останавливается сторонами кристалла, либо не совмещается с осями распространения лучей в резонаторе и не способна к колебаниям.- “picks up” the components B y and T y , which propagate parallel to the axis of the extraordinary ray, sending them along T y and 0, respectively. The component T y is either stopped by the sides of the crystal, or does not coincide with the axes of propagation of rays in the resonator and is not capable of oscillations.

При прохождении луча в противоположном направлении кристалл естественно "понижает" By и Ту, тогда как Вх и Тх остаются без изменений.When the beam passes in the opposite direction, the crystal naturally “lowers” B y and T y , while B x and T x remain unchanged.

С учетом суммарного двойного лучепреломления резонатора между двумя состояниями поляризации возникает разность фаз ϕ/2. Поэтому по направлению распространения излучения, в котором оптические лучи поднимаются, матрица Джонса для первого или второго оптического элемента поляризационного разделения определяется выражением:Taking into account the total birefringence of the cavity between the two polarization states, a phase difference ϕ / 2 arises. Therefore, in the direction of propagation of the radiation in which the optical rays rise, the Jones matrix for the first or second optical element of polarization separation is determined by the expression:

Figure 00000001
Figure 00000001

При прохождении луча в противоположном направлении первый (или второй) оптический элемент поляризационного разделения понимает оптические лучи. Поэтому матрица имеет вид:When a beam travels in the opposite direction, the first (or second) optical element of polarization separation understands optical rays. Therefore, the matrix has the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Матрица устройств пространственной фильтрации имеет следующий вид:The matrix of spatial filtering devices has the following form:

Figure 00000003
Figure 00000003

Элемент, который не создает поперечный эффект и для которого матрица Джонса 2×2 обозначена через m, в матричном представлении 4×4 имеет вид:An element that does not create a transverse effect and for which the 2 × 2 Jones matrix is denoted by m in the 4 × 4 matrix representation has the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

Соответственно, матрицы остальных элементов устройства можно записать следующим образом.Accordingly, the matrix of the remaining elements of the device can be written as follows.

Для взаимного вращателя плоскости поляризации, пересекаемого лучами в направлении вращения, называемом прямым, матрица R+(α) имеет вид:For a mutual rotator of the plane of polarization, intersected by rays in the direction of rotation, called the straight line, the matrix R + (α) has the form:

Figure 00000005
Figure 00000005

Для взаимного вращателя плоскости поляризации, пересекаемого лучами в направлении вращения, называемом обратным, матрица R-(α) имеет вид:For a mutual rotator of the plane of polarization, intersected by rays in the direction of rotation, called the inverse, the matrix R - (α) has the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

Матрица невзаимного вращателя не зависит от направления распространения и имеет вид:The nonreciprocal rotator matrix does not depend on the direction of propagation and has the form:

Figure 00000007
Figure 00000007

Матрица четвертьволновой пластины, повернутой на 45°, имеет вид:The matrix of a quarter-wave plate rotated by 45 ° has the form:

Figure 00000008
Figure 00000008

Матрица четвертьволновой пластины, повернутой на 135°, имеет вид:The matrix of a quarter-wave plate rotated 135 ° has the form:

Figure 00000009
Figure 00000009

Матрицы J+ и J-, представляющие все имеющиеся в резонаторе оптические устройства для мод, распространяющихся в прямом направлении и обратном направлении, можно получить простым перемножением:The matrices J + and J - , representing all the optical devices in the cavity for modes propagating in the forward and reverse directions, can be obtained by simple multiplication:

Figure 00000010
Figure 00000010

иand

Figure 00000011
Figure 00000011

Знание матриц J+ и J- помогает определить естественные состояния оптических мод, которые могут распространяться в резонаторе. В каждом направлении распространения существуют два различных естественных состояния по осям x и у, т.е. всего четыре следующих естественных состояния:Knowledge of the J + and J - matrices helps to determine the natural states of optical modes that can propagate in the cavity. In each direction of propagation, there are two different natural states along the x and y axes, i.e. Only four of the following natural conditions:

(+,x): естественное состояние для горизонтальной линейной поляризации излучения, распространяющегося в первом направлении,(+, x): natural state for horizontal linear polarization of radiation propagating in the first direction,

(+,y): естественное состояние вертикальной линейной поляризации излучения, распространяющегося в первом направлении,(+, y): the natural state of the vertical linear polarization of the radiation propagating in the first direction,

(-,x): естественное состояние горизонтальной линейной поляризации излучения, распространяющегося в обратном, т.е. противоположном, направлении,(-, x): natural state of the horizontal linear polarization of radiation propagating in the opposite, i.e. opposite direction

(-,у): естественное состояние вертикальной линейной поляризации излучения, распространяющегося в обратном, т.е. противоположном, направлении.(-, y): the natural state of the vertical linear polarization of radiation propagating in the opposite, i.e. opposite direction.

Модуль естественных состояний (+,x) и (+,y) равен cos(α+β), а модуль естественных состояний (-,x) и (-,y) равен cos(α-β). Поскольку модуль меняется с направлением распространения, регулируя один из двух коэффициентов α или β, можно согласовывать встречные моды при некоторой постоянной разности интенсивности.The natural state modulus (+, x) and (+, y) is cos (α + β), and the natural state modulus (-, x) and (-, y) is cos (α-β). Since the modulus varies with the direction of propagation by adjusting one of the two coefficients α or β, it is possible to match counter modes at a certain constant difference in intensity.

Если лазерный гироскоп не вращается, частота ν оптической моды в кольцевом лазерном резонаторе длиной L обычно связана с фазовым сдвигом (фазовой разностью) φ, испытываемым этой модой после каждого обхода резонатора, следующим отношением:If the laser gyro does not rotate, the frequency ν of the optical mode in a ring laser resonator of length L is usually associated with the phase shift (phase difference) φ experienced by this mode after each round-trip of the resonator, by the following relation:

Figure 00000012
Figure 00000012

где n - целое число.where n is an integer.

Таким образом, при данном n частоты различных нормальных (собственных) определяются следующими выражениями:Thus, for a given n, the frequencies of various normal (eigen) are determined by the following expressions:

Для моды (+,х)

Figure 00000013
For fashion (+, x)
Figure 00000013

Для моды (+,y)

Figure 00000014
For fashion (+, y)
Figure 00000014

Для моды (-,x)

Figure 00000015
For fashion (-, x)
Figure 00000015

Для моды (-,y)

Figure 00000016
For fashion (-, y)
Figure 00000016

Если резонатор поворачивается, то вследствие эффекта Саньяка собственные частоты сдвигаются на частоту ±Ω/2, знак которой зависит от направления распространения мод. В этом случае частоты мод определяются следующими выражениями:If the resonator rotates, then due to the Sagnac effect, the eigenfrequencies shift by a frequency of ± Ω / 2, the sign of which depends on the direction of propagation of the modes. In this case, the mode frequencies are determined by the following expressions:

Для моды (+,x)

Figure 00000017
For fashion (+, x)
Figure 00000017

Для моды (+,y)

Figure 00000018
For fashion (+, y)
Figure 00000018

Для моды (-,x)

Figure 00000019
For fashion (-, x)
Figure 00000019

Для моды (-,y)

Figure 00000020
For fashion (-, y)
Figure 00000020

Строго говоря, если частоты оптических мод нужно определить с высокой точностью, то следует учитывать непостоянство длины резонатора вследствие двойного лучепреломления и эффекта Саньяка. Можно показать, что эти эффекты пренебрежимо малы и не влияют на точность измерения.Strictly speaking, if the frequencies of the optical modes must be determined with high accuracy, then the inconstancy of the cavity length due to birefringence and the Sagnac effect should be taken into account. It can be shown that these effects are negligible and do not affect the measurement accuracy.

Во избежание взаимодействия (сцепления) мод и появления зоны нечувствительности необходимо обеспечить достаточное разнесение частот. Следовательно, оба члена (c/2πL)γ и (с/2πL)(φ-2γ) должны превышать заданное минимальное значение, определяемое требуемым рабочим диапазоном лазерного гироскопа. Чтобы обеспечить выполнение данного условия, можно просто задать соответствующие оптические и геометрические параметры взаимного и невзаимного вращателей плоскости поляризации.In order to avoid interaction (coupling) of the modes and the appearance of a dead zone, it is necessary to ensure sufficient frequency diversity. Therefore, both terms (c / 2πL) γ and (c / 2πL) (φ-2γ) must exceed the specified minimum value determined by the required operating range of the laser gyroscope. To ensure that this condition is met, you can simply set the corresponding optical and geometric parameters of the reciprocal and nonreciprocal rotators of the plane of polarization.

Колебание лучей (+,x) и (-,x), с одной стороны, и (+,y) и (-,у), с другой стороны, создает две частоты биений ν1 и ν2:The oscillation of the rays (+, x) and (-, x), on the one hand, and (+, y) and (-, y), on the other hand, creates two beat frequencies ν 1 and ν 2 :

Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000021
Figure 00000022

Разность этих двух частот Δν равна:The difference of these two frequencies Δν is equal to:

Δν=ν12=2ΩΔν = ν 12 = 2Ω

Таким образом, измеряя Δν, получаем частоту биений Ω для определения угловой скорости вращения. Эта величина не зависит от значений смещения резонатора и каких-либо колебаний в нем.Thus, by measuring Δν, we obtain the beat frequency Ω to determine the angular velocity of rotation. This value does not depend on the values of the displacement of the resonator and any vibrations in it.

Различные операции по определению разности частот Δν выполняются измерительным прибором, который включает:Various operations to determine the frequency difference Δν are performed by a measuring device, which includes:

- оптические устройства, вызывающие интерференцию, с одной стороны, первой (+,x) и третьей (-,x) мод распространения излучения, а с другой стороны - второй (+,y) и четвертой (-,y) мод распространения излучения, причем возможен вариант интерференции моды (+,x) с модой (-,y) с одной стороны и моды (+,y) с модой (-,x) - с другой,- optical devices that cause interference, on the one hand, the first (+, x) and third (-, x) modes of radiation propagation, and on the other hand, the second (+, y) and fourth (-, y) modes of radiation propagation, moreover, it is possible to interfere with the mode (+, x) with the mode (-, y) on the one hand and the mode (+, y) with the mode (-, x) on the other,

- оптоэлектронные устройства для определения, с одной стороны, первой разности оптических частот ν1 между первой и третьей модами распространения излучения, а с другой стороны - второй разности частот ν2 между второй и четвертой модами распространения излучения,- optoelectronic devices for determining, on the one hand, the first optical frequency difference ν 1 between the first and third radiation propagation modes, and on the other hand, the second frequency difference ν 2 between the second and fourth radiation propagation modes,

- электронные устройства для получения частотной разности Δν между первой разностью частот ν1 и второй разностью частот ν2.- electronic devices for obtaining a frequency difference Δν between the first frequency difference ν 1 and the second frequency difference ν 2 .

Может оказаться целесообразным включить в резонатор оптический эталон Фабри-Перо. Естественно, он не должен быть чрезмерно точным во избежание слишком сильного сцепления частот различных мод. Целесообразно, чтобы стороны эталона были расположены с наклоном относительно направления распространения луча во избежание распространения стеклообразных отражений.It may be appropriate to include the Fabry-Perot optical standard in the resonator. Naturally, it should not be excessively accurate in order to avoid too strong cohesion of the frequencies of various modes. It is advisable that the sides of the reference be inclined relative to the direction of propagation of the beam in order to avoid the spread of glassy reflections.

Безусловно, из нескольких предлагаемых в изобретении лазерных гироскопов можно собрать систему измерения угловых скоростей или относительных угловых положений по трем различным осям, содержащую, например, три лазерных гироскопа, смонтированных на общей механической конструкции.Of course, from several laser gyroscopes proposed in the invention, it is possible to assemble a system for measuring angular velocities or relative angular positions along three different axes, containing, for example, three laser gyroscopes mounted on a common mechanical structure.

Claims (8)

1. Лазерный гироскоп для измерения угловой скорости или относительного углового положения относительно заданной оси вращения, содержащий по меньшей мере:
кольцевой оптический резонатор (1),
твердотельную активную среду (2),
согласующее устройство (3), включающее по меньшей мере первый оптический блок, состоящий из первого невзаимного вращателя (5) плоскости поляризации и оптического элемента, представляющего собой взаимный вращатель (4) плоскости поляризации или двулучепреломляющий элемент с возможностью регулирования по меньшей мере одного из эффектов или двулучепреломления, и
измерительный прибор (6),
отличающийся тем, что указанный резонатор (1) также содержит
второй оптический блок, состоящий из первого устройства (7) пространственной фильтрации и первого оптического элемента (8) поляризационного разделения,
третий оптический блок, состоящий из второго устройства (10) пространственной фильтрации и второго оптического элемента (9) поляризационного разделения, причем второй и третий оптические блоки расположены по обе стороны от первого оптического блока симметрично друг другу,
четвертый оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины (12), второго невзаимного вращателя (13) плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины (14), главные оси которой перпендикулярны главным осям первой четвертьволновой пластины,
вследствие чего в резонаторе в первом направлении могут распространяться первая линейно поляризованная мода и вторая мода, линейно поляризованная перпендикулярно первой, а в противоположном направлении - третья мода, линейно поляризованная параллельно первой, и четвертая мода, линейно поляризованная параллельно второй, причем главные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины повернуты относительно направлений линейной поляризации четырех мод распространения излучения на угол 45°, а оптические частоты всех четырех мод различны.
1. A laser gyroscope for measuring angular velocity or relative angular position relative to a given axis of rotation, comprising at least:
ring optical resonator (1),
solid state active medium (2),
matching device (3), comprising at least a first optical unit, consisting of a first nonreciprocal rotator (5) of the polarization plane and an optical element, which is a mutual rotator (4) of the polarization plane or birefringent element with the ability to control at least one of the effects or birefringence, and
measuring device (6),
characterized in that the said resonator (1) also contains
a second optical unit, consisting of a first spatial filtering device (7) and a first polarization separation optical element (8),
a third optical unit, consisting of a second spatial filtering device (10) and a second polarization separation optical element (9), the second and third optical units being located symmetrically to each other on both sides of the first optical unit,
the fourth optical unit, consisting of sequentially located the first quarter-wave plate (12), the second nonreciprocal rotator (13) of the plane of polarization and the second quarter-wave plate (14), the main axes of which are perpendicular to the main axes of the first quarter-wave plate,
as a result, the first linearly polarized mode and the second mode, linearly polarized perpendicular to the first, and the third mode, linearly polarized parallel to the first, and the fourth mode, linearly polarized parallel to the second, and the main axes of the first quarter-wave plate, can propagate in the resonator in the first direction and the second quarter-wave plate are rotated relative to the directions of linear polarization of the four modes of radiation propagation through an angle of 45 °, and the optical frequencies seh four different modes.
2. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что в резонаторе имеется двулучепреломляющая замедляющая пластина, способствующая созданию или увеличению разности частот между ортогональными состояниями поляризации.2. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the resonator has a birefringent moderating plate, which helps to create or increase the frequency difference between the orthogonal polarization states. 3. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что измерительный прибор (6) содержит
оптические устройства, вызывающие интерференцию с одной стороны первой и третьей мод распространения излучения, а с другой стороны - второй и четвертой мод распространения излучения,
оптоэлектронные устройства для определения с одной стороны первой разности оптических частот между первой и третьей модами распространения излучения, а с другой стороны - второй разности частот между второй и четвертой модами распространения излучения,
электронные устройства для получения частотной разности между первой разностью частот и второй разностью частот.
3. Laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the measuring device (6) contains
optical devices causing interference on the one hand of the first and third modes of radiation propagation, and on the other hand, the second and fourth modes of radiation propagation,
optoelectronic devices for determining, on the one hand, the first optical frequency difference between the first and third radiation propagation modes, and on the other hand, the second frequency difference between the second and fourth radiation propagation modes,
electronic devices for obtaining a frequency difference between the first frequency difference and the second frequency difference.
4. Лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что первая разность частот и вторая разность частот превышают примерно 100 кГц.4. The laser gyroscope according to claim 3, characterized in that the first frequency difference and the second frequency difference exceed about 100 kHz. 5. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что первый (8) и второй (9) оптические элементы поляризационного разделения представляют собой одноосные двулучепреломляющие замедляющие пластины с плоскими параллельными сторонами, у которых оптическая ось повернута относительно плоскости сторон примерно на 45°.5. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the first (8) and second (9) optical elements of the polarization separation are uniaxial birefringent retardation plates with flat parallel sides, in which the optical axis is rotated about 45 ° relative to the plane of the sides. 6. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что согласующее устройство (3) включает по меньшей мере пятый оптический блок, состоящий из третьего невзаимного вращателя (51) плоскости поляризации и второго оптического элемента, представляющего собой взаимный вращатель (41) плоскости поляризации или двулучепреломляющий элемент с возможностью регулирования по меньшей мере одного из эффектов или двулучепреломления независимо от первого оптического блока, причем первая и третья моды распространения излучения проходят через первый невзаимный вращатель плоскости поляризации и первый оптический элемент, а третья и четвертая моды распространения излучения - через третий невзаимный вращатель плоскости поляризации и второй оптический элемент.6. The laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the matching device (3) includes at least a fifth optical unit, consisting of a third nonreciprocal rotator (51) of the polarization plane and a second optical element, which is a reciprocal rotator (41) of the polarization plane or birefringent element with the ability to control at least one of the effects or birefringence independently of the first optical block, the first and third modes of radiation propagation passing through the first nonreciprocal a polarization plane rotator and a first optical element, and a third and fourth radiation propagation mode through a third nonreciprocal polarization plane rotator and a second optical element. 7. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что резонатор (1) содержит оптический эталон Фабри-Перо.7. Laser gyroscope according to claim 1, characterized in that the resonator (1) contains a Fabry-Perot optical standard. 8. Система измерения угловых скоростей или относительных угловых положений по трем разным осям, отличающаяся тем, что она содержит три лазерных гироскопа по одному из предшествующих пунктов, которые ориентированы в разных направлениях и смонтированы на общей механической конструкции. 8. A system for measuring angular velocities or relative angular positions along three different axes, characterized in that it contains three laser gyroscopes in one of the preceding paragraphs, which are oriented in different directions and mounted on a common mechanical structure.
RU2006102425/28A 2006-01-27 2006-01-27 Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band RU2382333C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006102425/28A RU2382333C2 (en) 2006-01-27 2006-01-27 Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006102425/28A RU2382333C2 (en) 2006-01-27 2006-01-27 Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006102425A RU2006102425A (en) 2007-08-20
RU2382333C2 true RU2382333C2 (en) 2010-02-20

Family

ID=38511497

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006102425/28A RU2382333C2 (en) 2006-01-27 2006-01-27 Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2382333C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676835C1 (en) * 2018-01-16 2019-01-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Optical radiation mixer with application of prisms of optical active materials

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2947047B1 (en) * 2009-06-22 2011-06-24 Thales Sa GYROLASER WITH STABILIZED SOLID STATE

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2676835C1 (en) * 2018-01-16 2019-01-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)" Optical radiation mixer with application of prisms of optical active materials

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006102425A (en) 2007-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7230686B1 (en) Four-mode stabilized solid-state gyrolaser without blind region
US4529313A (en) Ring interferometer
US4274742A (en) Passive ring laser rate of turn devices
JPH07104166B2 (en) Fiber optic rotation sensor and method for reducing phase error
JP3692474B2 (en) Fiber optic gyro
US20080043225A1 (en) Solid-state laser gyro with a mechanically activated gain medium
US7319513B2 (en) Stabilized solid state gyrolaser without blind region
US3382758A (en) Ring laser having frequency offsetting means inside optical path
US3692385A (en) Rotation sensitive retarder system
RU2350904C2 (en) Solid-state laser gyroscope stabilised by means of acoustic optic devices (versions)
RU2382333C2 (en) Four-mode gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band
RU2504732C2 (en) Solid state laser gyro multi-oscillator incorporating reinforcement medium with flat at<100>
US3480878A (en) Ring laser with means for reducing coupling to backscattered waves
JPH0814492B2 (en) Fiber optic gyro
US4681446A (en) Phase conjugate fiber gyroscope
JP2007218864A (en) Four-mode stabilized semiconductor laser gyro with no dead area
CN101008568A (en) No-blind-area four-mode stable solid state laser gyroscope
US3486130A (en) Ring laser having a quarter wave plate for rotating the plane of polarization of light which is reflected back into the ring from the combining optics
JP2007221061A (en) Dead-zone free stabilized semiconductor laser gyro
JPH08503068A (en) Method and apparatus for compensating residual birefringence in an interferometric fiber optic gyro
US3382759A (en) Ring laser biased by zeeman frequency offset effect for sensing slow rotations
RU2676835C1 (en) Optical radiation mixer with application of prisms of optical active materials
RU2382332C2 (en) Gyroscope on stabilised solid-state laser without dead band
JPH07151555A (en) Optical fiber gyro taking out signal from light source
JPS61223824A (en) Reflection type optical sensor

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120128