RU2507482C2 - Laser gyroscope - Google Patents

Laser gyroscope Download PDF

Info

Publication number
RU2507482C2
RU2507482C2 RU2011152926/28A RU2011152926A RU2507482C2 RU 2507482 C2 RU2507482 C2 RU 2507482C2 RU 2011152926/28 A RU2011152926/28 A RU 2011152926/28A RU 2011152926 A RU2011152926 A RU 2011152926A RU 2507482 C2 RU2507482 C2 RU 2507482C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
monoblock
resonator
radiation
laser
Prior art date
Application number
RU2011152926/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011152926A (en
Inventor
Николай Александрович Ус
Original Assignee
Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
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 Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2011152926/28A priority Critical patent/RU2507482C2/en
Publication of RU2011152926A publication Critical patent/RU2011152926A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2507482C2 publication Critical patent/RU2507482C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: gyroscope comprises a triangular optical monoblock with formed optical channels, mirrors of total reflection, a semitransparent mirror, a prism and a source of optical radiation on the basis of a semiconductor laser. To ensure a single-mode radiation regime, a semiconducting laser is equipped with an additional external optical resonator in the form of a truncated prism, which is coated with a light-reflecting coating. On side faces of the truncated prism, which form an angle 40÷60 degrees in respect to its base, in parallel to the base and symmetrically there are two optically transparent holes at the level that matches with the level of optical channels of the monoblock, to create in the resonator a longitudinal optical channel by geometry and position of the monoblock that matches with the main optical channel.
EFFECT: improved reliability of a system.
4 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем различного типа, в частности, в безинерциальных навигационных системах.The invention relates to the field of laser technology and can be used to create navigation systems of various types, in particular in non-inertial navigation systems.

Основным элементов навигационной системы является датчик угловых скоростей (ДУС) объекта, который позволяет измерять угловую скорость объекта в инерциальном пространстве. ДУС, как правило, строятся по гироскопической схеме.The main elements of the navigation system is the angular velocity sensor (TLS) of the object, which allows you to measure the angular velocity of the object in inertial space. DLS, as a rule, are built according to the gyroscopic scheme.

Известные механические системы ДУС в настоящее время активно заменяются лазерными системами как обладающие большей функциональностью и более высокими параметрами. Такие системы получили название «лазерные гироскопы» [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С.281]. В лазерном гироскопе носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения. Фактически, это квантовый прибор с кольцевым активным резонатором, в котором излучения распространяются навстречу друг другу и выводятся на интерференционный оптический смеситель, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн. Данное явление получило специфическое название по имени его открывателя - эффект М. Санъяка.The well-known mechanical systems of TLS are currently being actively replaced by laser systems as having greater functionality and higher parameters. Such systems are called "laser gyroscopes" [Bayborodin Yu.V. The basics of laser technology. - 2nd ed., Revised. and add. - Kiev: High school. Head Publishing House, 1988 .-- 383 p. - S.281]. In a laser gyroscope, the carrier of information about the angular velocity relative to the inertial space is electromagnetic radiation, the parameters of which vary depending on the angular velocity vector of rotation. In fact, this is a quantum device with an active ring resonator, in which the radiation propagates towards each other and is output to an interference optical mixer, at the output of which a difference frequency signal of interfering counterpropagating waves is generated. This phenomenon received a specific name by the name of its discoverer - the effect of M. Sanyak.

Кольцевым резонатором является оптическая система, состоящая из трех или более отражателей, в которой траектория лазерного луча замкнута и лазерный луч, пройдя через все оптические элементы, замыкается сам на себя в плоскости резонатора.A ring resonator is an optical system consisting of three or more reflectors, in which the trajectory of the laser beam is closed and the laser beam, passing through all the optical elements, is closed to itself in the plane of the resonator.

В последние годы усилия разработчиков были направлены на создание жесткой, малогабаритной и монолитной конструкции кольцевого резонатора лазерного гироскопа. В современных конструкциях лазерных гироскопов применяют, как правило, треугольные, четырехугольные и волоконно-оптические кольцевые резонаторы.In recent years, the efforts of the developers have been aimed at creating a rigid, small-sized and monolithic design of the ring resonator of a laser gyro. In modern designs of laser gyroscopes, as a rule, triangular, quadrangular and fiber-optic ring resonators are used.

Известны различные волоконно-оптические конструкции лазерного гироскопа [Иванов В.В., Новиков М.А., Геликонов В.М. Наблюдение эффекта Саньяка в кольцевом резонаторном интерферометре с низкокогерентным источником света. / Квантовая электроника, 30, №2 (2000) - С.119-124; Бутусов М.М. Волоконная оптика в приборостроении. - М. Машиностроение, 1985. - С.143-159].Various fiber-optic designs of a laser gyroscope are known [Ivanov VV, Novikov MA, Gelikonov VM Observation of the Sagnac effect in a ring resonator interferometer with a low coherent light source. / Quantum Electronics, 30, No. 2 (2000) - S.119-124; Butusov M.M. Fiber optics in instrument making. - M. Mechanical Engineering, 1985. - S.143-159].

Типовая конструкция волоконно-оптического лазерного гироскопа описана в [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Выща школа. Головное изд-во, 1988. - С.299-302]. Сущность конструктивного решения аналога раскрывает чертеж на Фиг.1.A typical design of a fiber-optic laser gyro is described in [Bayborodin Yu.V. The basics of laser technology. - 2nd ed., Revised. and add. - K .: Higher school. Head Publishing House, 1988. - S.299-302]. The essence of the design solution of the analogue discloses the drawing in figure 1.

Конструктивно система содержит: 1 - лазерный диод; 2 - устройство ввода-вывода излучения; 3 - катушка со световолокном; 4 - линза; 5 - фотодиод; 6 - полупрозрачное зеркало.Structurally, the system contains: 1 - a laser diode; 2 - radiation input-output device; 3 - coil with fiber optic; 4 - lens; 5 - photodiode; 6 - translucent mirror.

Конструктивной основой прибора является непосредственно каркас катушки, на которую витками наматывается световолокно большой длины (500-1000 м) для повышения чувствительности гироскопа. Для обеспечения условия монохромности оптоволокно используется одномодовое. Все остальные элементы крепятся на каркасе. Линза 4 в совокупности с полупрозрачным зеркалом 6 образуют волоконный ответвитель/ращепитель оптического луча гироскопа, реализуя встречное движение лучистой энергии по кольцевому резонатору и частичный ее съем в виде интерференционной картины на фотодиод 5. За счет этого реализуется эффект Саньяка в пассивном контуре.The constructive basis of the device is the coil frame itself, on which a long fiber (500-1000 m) is wound around the coil to increase the sensitivity of the gyroscope. To ensure the condition of monochrome optical fiber is used single-mode. All other elements are mounted on the frame. Lens 4 in conjunction with a translucent mirror 6 form a fiber coupler / splitter of the optical gyro beam, realizing the oncoming movement of radiant energy along the ring resonator and its partial removal in the form of an interference pattern on photodiode 5. Due to this, the Sagnac effect in the passive circuit is realized.

Достоинствами данной конструкции следует считать:The advantages of this design should be considered:

1. Надежность системы, которая определяется полупроводниковым источником излучения, низковольтным питанием.1. The reliability of the system, which is determined by a semiconductor radiation source, low-voltage power supply.

2. Конструктивная простота устройства с максимальным количеством унифицированных деталей.2. Constructive simplicity of the device with the maximum number of standardized parts.

3. Экономическая целесообразность, которая определяется максимальным уровнем унифицированных деталей.3. Economic feasibility, which is determined by the maximum level of standardized parts.

К недостаткам данной конструкции следует отнести:The disadvantages of this design include:

1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости из-за малой чувствительности системы даже при длинах оптоволокна 1000 м.1. Non-linearity of the output signal at low angular velocity due to the low sensitivity of the system, even with fiber lengths of 1000 m

2. Недостаточная жесткость конструкции, что определяет дрейф выходного сигнала из-за смещения витков катушки при сильных вибрациях объекта, на котором установлен гироскоп.2. Lack of structural rigidity, which determines the drift of the output signal due to the displacement of the turns of the coil during strong vibrations of the object on which the gyroscope is mounted.

3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.3. The change in the length of the optical path under the influence of thermal expansion, pressure and mechanical deformation.

Наиболее близким к заявляемому устройству является моноблочная конструкция лазерного гироскопа, разработанная американской фирмой «Honeywell» [Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. / Под ред. канд. техн. наук И.А. Горенштейна - Москва: Машиностроение, 1970. - 230 с. - С.161-164]. Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает чертеж на Фиг.2.Closest to the claimed device is a monoblock design of a laser gyro developed by the American company "Honeywell" [Gorenstein I.A., Shulman I.A. Inertial navigation systems. / Ed. Cand. tech. Sciences I.A. Gorenstein - Moscow: Engineering, 1970 .-- 230 p. - S.161-164]. The essence of the design solution of the prototype discloses the drawing in figure 2.

Конструктивно система содержит: 1 - корпус; 2 - аноды; 3,6 - зеркала с высокой отражательной способностью; 4 - цилиндрические каналы; 5 - катод; 7 - диафрагма; 8 - полупрозрачное зеркало; 9 - призма.Structurally, the system contains: 1 - housing; 2 - anodes; 3.6 - mirrors with high reflectivity; 4 - cylindrical channels; 5 - cathode; 7 - aperture; 8 - translucent mirror; 9 - prism.

Корпус 1 прибора - монолитный блок из плавленого кварца, в котором просверлены цилиндрические каналы 4. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 6 и 8. Зеркала 3 и 6 имеют отражательную поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих частот излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало 8 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 3 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура.The housing 1 of the device is a monolithic block of fused quartz, in which cylindrical channels are drilled 4. The axes of these channels lie in the same plane and form an equilateral triangle, at the tops of which there are mirrors 3, 6 and 8. Mirrors 3 and 6 have a reflective surface with a very high reflectivity in the range of operating frequencies of radiation, which is achieved, for example, by the use of a multilayer dielectric coating. The mirror 8 is translucent, due to which the output of radiant energy from the circuit is carried out to pick up the output signal. The surface of the reflecting mirror 3 is made in the form of a section of a sphere of large radius, which can significantly simplify the alignment of the optical circuit.

Для обеспечения достаточной жесткости системы зеркала соединяются с кварцевым блоком 1 методом молекулярной адгезии, для чего контактирующие поверхности кварцевого блока и зеркал делаются предельно плоскими и тщательно полируются. Внутренние полости блока заполняются смесью гелия и неона под давлением около 5 мм рт. Ст. и образуют совместно с зеркалами объемный резонатор. В кварцевом блоке располагаются также электроды системы самовозбуждения оптического квантового генератора (ОКГ) - два анода 2 и катод 5. Полупрозрачное зеркало 8 контактирует с призмой 9, обеспечивающей подвод лучистой энергии к фотоэлектрическому считывающему устройству. В одном из каналов резонатора располагается диафрагма 7, регулировка которой обеспечивает одномодовый режим работы ОКГ.To ensure sufficient rigidity, the mirrors are connected to the quartz block 1 by molecular adhesion, for which the contacting surfaces of the quartz block and mirrors are made extremely flat and carefully polished. The internal cavities of the block are filled with a mixture of helium and neon under a pressure of about 5 mm Hg. Art. and form together with the mirrors a cavity resonator. In the quartz block are also the electrodes of the self-excitation system of an optical quantum generator (OCG) - two anodes 2 and a cathode 5. A translucent mirror 8 is in contact with a prism 9, which supplies radiant energy to the photoelectric reader. In one of the resonator channels there is a diaphragm 7, the adjustment of which provides a single-mode laser operation mode.

Достоинствами данной конструкции следует считать:The advantages of this design should be considered:

1. Высокая жесткость конструкции, которая определяется моноблочностью кольцевого резонатора и интегрированностью оптического квантового генератора.1. High rigidity of the structure, which is determined by the monoblock of the ring resonator and the integration of the optical quantum generator.

2. Достаточно высокие электрические характеристики гироскопической системы.2. Sufficiently high electrical characteristics of the gyroscopic system.

К недостаткам данной конструкции следует отнести:The disadvantages of this design include:

1. Недостаточная надежность системы, которая определяется газовым источником излучения, конструктивно выполненным внутри оптических каналов моноблока; высоковольтным питанием.1. The lack of reliability of the system, which is determined by the gas radiation source, structurally performed inside the optical channels of the monoblock; high voltage power.

2. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости из-за наличия влияния синхронизма в активной газовой среде ОКГ.2. Non-linearity of the output signal at low angular velocity due to the presence of the effect of synchronism in the active gas medium of the laser.

3. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в кольцевом лазере.3. The drift of the output signal due to gas flows in a ring laser.

4. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.4. Change in the optical path length under the influence of thermal expansion, pressure, and mechanical deformations.

5. Высокие экономические затраты и сложность технологии сборки моноблока и системы зеркал устройства.5. High economic costs and the complexity of the assembly technology of the monoblock and the mirror system of the device.

Общим признаком известных лазерных гироскопов являются: лазерный излучатель, кольцевой резонатор с системой зеркал для создания замкнутого движения оптического луча, система съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины.A common feature of known laser gyroscopes are: a laser emitter, a ring resonator with a system of mirrors to create a closed motion of the optical beam, a system for acquiring information in the form of radiant energy of the interference pattern.

Технический результат изобретения состоит в создании лазерного гироскопа, обладающего достоинствами газового и волоконно-оптического гироскопов, параметры которого остаются приемлемыми для навигационных задач при повышенной общей надежности системы.The technical result of the invention is to create a laser gyro with the advantages of a gas and fiber-optic gyroscopes, the parameters of which remain acceptable for navigation tasks with increased overall system reliability.

Заявляемое устройство содержит треугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало и призму для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, а в качестве источника оптического излучения в устройство включен полупроводниковый лазер, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы, углы при основании которой составляют 40-60 градусов, толщина равна толщине оптического моноблока, а поверхность покрыта светоотражающим покрытием, причем параллельно ее основанию, симметрично, на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока и реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным каналом моноблока, а для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока.The inventive device comprises a triangular optical monoblock with formed optical channels, mirrors of full reflection of radiant energy, a translucent mirror and a prism for acquiring information in the form of radiant energy of the interference pattern, and a semiconductor laser is included in the device as an optical radiation source, to ensure the single-mode radiation of which equipped with an additional external optical resonator in the form of a truncated prism, the angles at the base of which are 40-60 degrees ow, the thickness is equal to the thickness of the optical monoblock, and the surface is covered with a reflective coating, and parallel to its base, symmetrically, two optically transparent holes are formed on the side faces at a level that coincides with the level of the optical channels of the monoblock and implements a longitudinal optical channel in the resonator cavity, in geometry and the position coincides with the main channel of the monoblock, and for pairing the radiation source in the optical monoblock, a seat is formed, the geometry of which coincides with the geometer the optical resonator of the emitter so that the formed optical channel is a continuation of the optical channel of the monoblock, closing the ring optical circuit of the monoblock.

Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:Common to the claimed device and prototype are the following features:

- треугольный оптический моноблок,- triangular optical monoblock,

- сформированные в треугольном оптическом моноблоке оптические каналы,- optical channels formed in a triangular optical monoblock,

- зеркала полного отражения лучистой энергии,- mirrors of the full reflection of radiant energy,

- полупрозрачное зеркало;- translucent mirror;

- призма для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины.- a prism for acquiring information in the form of radiant energy of the interference pattern.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:Distinctive from the prototype are the following features:

- полупроводниковый лазер в качестве источника оптического излучения,- a semiconductor laser as a source of optical radiation,

- дополнительный внешний оптический резонатор в виде усеченной призмы, углы при основании которой составляют 40-60 градусов, а толщина равна толщине оптического моноблока,- an additional external optical resonator in the form of a truncated prism, the angles at the base of which are 40-60 degrees, and the thickness is equal to the thickness of the optical monoblock,

- внешний оптический резонатор покрыт светоотражающим покрытием, причем параллельно его основанию, симметрично, на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока и реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом моноблока,- the external optical resonator is coated with a reflective coating, and parallel to its base, symmetrically, two optically transparent holes are formed on the side faces at a level that coincides with the level of the optical channels of the monoblock and implements a longitudinal optical channel in the emitter cavity, coinciding in geometry and position with the main cylindrical channel monoblock

- для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока.- to couple the radiation source in the optical monoblock, a seat is formed, the geometry of which coincides with the geometry of the optical resonator of the emitter so that the formed optical channel is a continuation of the optical channel of the monoblock, closing the ring optical circuit of the monoblock.

Сущность конструктивного решения заявляемого устройства раскрывает чертеж на Фиг.3. Заявляемая конструкция устройства содержит: 1 - треугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические каналы; 3, 4 - зеркала с высокой отражательной способностью; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - призма; 7 - дополнительный оптический резонатор; 8 - полупроводниковый лазер.The essence of the constructive solution of the claimed device discloses the drawing in Fig.3. The inventive design of the device contains: 1 - triangular optical candy bar; 2 - cylindrical channels; 3, 4 - mirrors with high reflectivity; 5 - translucent mirror; 6 - prism; 7 - additional optical resonator; 8 - semiconductor laser.

Треугольный оптический моноблок 1 изготовлен из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца или органического стекла, в котором просверлены цилиндрические каналы 2. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 4 и 5. Зеркала 3 и 4 имеют отражательную поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих частот излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 3 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура моноблока 1.The triangular optical monoblock 1 is made of optically transparent material, for example, fused silica or organic glass, in which cylindrical channels 2 are drilled. The axes of these channels lie in the same plane and form an equilateral triangle, at the tops of which there are mirrors 3, 4 and 5. Mirrors 3 and 4 have a reflective surface with a very high reflectivity in the range of operating frequencies of the radiation, which is achieved, for example, by using a multilayer dielectric coating. The mirror is translucent, due to which the output of radiant energy from the circuit is carried out to pick up the output signal. The surface of the reflecting mirror 3 is made in the form of a section of a sphere of large radius, which can significantly simplify the alignment of the optical circuit of monoblock 1.

Внутренние полости блока полируются и соединены с окружающим пространством. Фактически моноблок 1 образует совместно с зеркалами пассивный кольцевой резонатор. Поскольку внутренние полости не герметичны (они не наполнены активным газом, как это имеет место в газовом лазере), то данное условие снижает технологические требования на герметичную фиксацию зеркал относительно моноблока 1. Полупрозрачное зеркало 5 контактирует с призмой 6, обеспечивающей подвод лучистой энергии к фотоэлектрическому считывающему устройству.The internal cavities of the block are polished and connected to the surrounding space. In fact, the monoblock 1 forms, together with the mirrors, a passive ring resonator. Since the internal cavities are not hermetic (they are not filled with active gas, as is the case in a gas laser), this condition reduces the technological requirements for hermetically fixing the mirrors relative to the monoblock 1. The translucent mirror 5 is in contact with the prism 6, which provides the supply of radiant energy to the photoelectric readout device.

В качестве источника оптического излучения в устройство включен полупроводниковый лазер 8, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы 7 с основанием L, высотой Н и толщиной равной толщине моноблока. Боковые грани усеченной призмы 7 образованы с углом β, равным 40÷60 градусов. В оптическом резонаторе сформировано посадочное место под полупроводниковый лазерный диод диаметром С. Данный оптический резонатор призван дополнительно скорректировать волновой фронт излучения полупроводникового лазера, поскольку непосредственно полупроводниковый лазер является многомодовой структурой. Сущность конструктивного решения дополнительного оптического резонатора раскрывает чертеж на Фиг.4. Усеченная призма резонатора 7 изготавливается из того же материала, что моноблок 1. Поверхность резонатора 7 покрыта светоотражающим покрытием, например, тонкопленочным покрытием из меди (Cu), серебра (Ag) или алюминия (Al). Параллельно основанию резонатора 7 на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне Н, совпадающем с уровнем оптических цилиндрических каналов 2 моноблока 1. Это позволяет создать в резонаторе излучателя 7 продольный оптический канал диаметром В, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом 2 моноблока 1.A semiconductor laser 8 is included in the device as a source of optical radiation. To ensure a single-mode radiation mode, the latter is equipped with an additional external optical resonator in the form of a truncated prism 7 with a base L, height H, and thickness equal to the thickness of a monoblock. The lateral faces of the truncated prism 7 are formed with an angle β equal to 40 ÷ 60 degrees. A seat is formed in the optical cavity under the semiconductor laser diode with a diameter of C. This optical cavity is designed to further correct the wavefront of the radiation of the semiconductor laser, since the semiconductor laser itself is a multimode structure. The essence of the constructive solution of the additional optical resonator is revealed by the drawing in Fig. 4. The truncated prism of the resonator 7 is made of the same material as the monoblock 1. The surface of the resonator 7 is coated with a reflective coating, for example, a thin film coating of copper (Cu), silver (Ag) or aluminum (Al). In parallel to the base of the resonator 7, two optically transparent holes are formed on the lateral faces at a level H, which coincides with the level of the optical cylindrical channels 2 of monoblock 1. This allows you to create a longitudinal optical channel with a diameter B in the resonator cavity 7, coinciding in geometry and position with the main cylindrical channel 2 of the monoblock one.

В итоге, излучение от полупроводникового лазера 8 формируется в виде параллельного пучка вдоль созданного канала, т.е. имеет место почти плоский волновой фронт, а излучение является узконаправленным и двухсторонним.As a result, the radiation from the semiconductor laser 8 is formed in the form of a parallel beam along the created channel, i.e. an almost flat wavefront takes place, and the radiation is narrowly directed and two-sided.

Для сопряжения источника оптического излучения 8 в оптическом моноблоке 1 сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора 7 излучателя так, что сформированный оптический канал является продолжением оптического канала 2 моноблока 1, что позволяет замкнуть кольцевую оптическую схему моноблока 1.To pair the optical radiation source 8 in the optical monoblock 1, a seat is formed, the geometry of which coincides with the geometry of the optical resonator 7 of the emitter so that the formed optical channel is a continuation of the optical channel 2 of the monoblock 1, which allows you to close the ring optical circuit of the monoblock 1.

Устройство лазерного гироскопа работает следующим образом. При подаче низковольтного питания на лазерный диод 8 последний генерирует многомодовое излучение. Для нормального функционирования заявляемого устройства целесообразно, чтобы излучение было максимально близко к одномодовому. Дополнительный оптический резонатор 7 фактически является пассивным резонатором Фабри-Перо. Его конструкция позволяет сформировать узконаправленное и двухстороннее излучение от лазерного диода 8 в горизонтальном оптическом канале. Данное излучение системой зеркал 3, 4, 5 юстируется таким образом, чтобы световой луч беспрепятственно двигался по замкнутому конуру, образованному тремя цилиндрическими каналами 2. В итоге, в контуре циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля излучения лазерного диода 8 и при отсутствии изменяющейся абсолютной угловой скорости устанавливается система стоячих волн. Среднее угловое положение узлов и пучностей этой системы координат не изменяется при вращении контура (моноблока 1) вокруг свой оси, перпендикулярной к его плоскости, что объясняется соответственным излучением частот излучений, распространяющихся в разные стороны.The device of the laser gyro operates as follows. When applying low-voltage power to the laser diode 8, the latter generates multimode radiation. For the normal functioning of the inventive device, it is advisable that the radiation is as close as possible to a single-mode. The additional optical resonator 7 is actually a passive Fabry-Perot resonator. Its design allows the formation of narrowly and bi-directional radiation from the laser diode 8 in a horizontal optical channel. This radiation is mirrored by a system of mirrors 3, 4, 5 so that the light beam moves unhindered along a closed loop formed by three cylindrical channels 2. As a result, the electromagnetic fields of the radiation of the laser diode 8 circulate in opposite directions and in the absence of a changing absolute angular velocity a system of standing waves is established. The average angular position of the nodes and antinodes of this coordinate system does not change when the contour (monoblock 1) rotates around its axis perpendicular to its plane, which is explained by the corresponding radiation of the frequencies of the radiation propagating in different directions.

Для съема выходного сигнала лазерного датчика угловых скоростей (лазерного гироскопа) полупрозрачное зеркало 5 и призмой 6 встречные лучи выводятся из контура по малым углом друг к другу. Образуемая при этом интерференционная картина, представляющая собой интерференционные полосы, следующие друг за другом с определенной разностью частот, фиксируется фотоприемником, входящим в систему обработки информационного сигнала от лазерного гироскопа. На его выходе получается электрический сигнал переменного тока. Частота этого тока пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости вращения моноблока 1 вокруг свой оси. Фазовая составляющая частоты выходного сигнала указывает на направление угловой скорости вращения.To pick up the output signal of the laser angular velocity sensor (laser gyroscope), the translucent mirror 5 and the prism 6 of the oncoming rays are output from the contour at a small angle to each other. The interference pattern formed in this case, which is interference fringes following each other with a certain frequency difference, is fixed by a photodetector included in the processing system of the information signal from the laser gyroscope. An electrical signal of alternating current is obtained at its output. The frequency of this current is proportional to the measured absolute angular velocity of rotation of the monoblock 1 around its axis. The phase component of the frequency of the output signal indicates the direction of the angular velocity of rotation.

Использование заявляемого устройства позволяет создавать лазерные моноблочные гироскопы с полупроводниковыми источниками излучения для навигационных систем объектов, которые в процессе выполнения своих функций подвергаются значительным механическим нагрузкам, широкодиапазонным температурным воздействия и другим дестабилизирующих факторов, обладая при этом высокой надежностью и приемлемыми техническими параметрами как датчики угловых скоростей.Using the inventive device allows you to create a laser monoblock gyroscopes with semiconductor radiation sources for navigation systems of objects that, in the process of performing their functions, are subjected to significant mechanical stresses, wide-range temperature effects and other destabilizing factors, while having high reliability and acceptable technical parameters as angular velocity sensors.

Claims (1)

Лазерный гироскоп, содержащий треугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало и призму, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения в конструкцию включен полупроводниковый лазер, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы, углы при основании которой составляют 40÷60°, толщина равна толщине оптического моноблока, а поверхность покрыта светоотражающим покрытием, причем параллельно ее основанию, симметрично, на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока и реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом моноблока, а для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока. A laser gyroscope containing a triangular optical monoblock with formed optical channels, mirrors of full reflection of radiant energy, a translucent mirror and a prism, characterized in that a semiconductor laser is included in the design as a source of optical radiation, to ensure the single-mode radiation mode of which the latter is equipped with an additional external optical resonator in the form of a truncated prism, the angles at the base of which are 40 ÷ 60 °, the thickness is equal to the thickness of the optical monoblock, and the surface The component is coated with a reflective coating, and parallel to its base, symmetrically, two optically transparent holes are formed on the side faces at a level that coincides with the level of the optical channels of the monoblock and implements a longitudinal optical channel in the emitter cavity that coincides in geometry and position with the main cylindrical channel of the monoblock, and to couple the radiation source in the optical monoblock, a seat is formed, the geometry of which coincides with the geometry of the optical resonator of the emitter so, then the formed optical channel was a continuation of the optical channel of the monoblock, closing the ring optical circuit of the monoblock.
RU2011152926/28A 2011-12-23 2011-12-23 Laser gyroscope RU2507482C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152926/28A RU2507482C2 (en) 2011-12-23 2011-12-23 Laser gyroscope

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011152926/28A RU2507482C2 (en) 2011-12-23 2011-12-23 Laser gyroscope

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011152926A RU2011152926A (en) 2013-06-27
RU2507482C2 true RU2507482C2 (en) 2014-02-20

Family

ID=48701245

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011152926/28A RU2507482C2 (en) 2011-12-23 2011-12-23 Laser gyroscope

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2507482C2 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2582900C1 (en) * 2014-12-31 2016-04-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко (ОАО "ЭЛАРА") Laser gyroscope
RU2617130C2 (en) * 2014-12-30 2017-04-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Optical interference mixer for laser gyro
RU2627566C1 (en) * 2016-11-08 2017-08-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Laser gyroscope
RU2630533C1 (en) * 2016-04-06 2017-09-11 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of compensating for thermal bending and deformation of laser gyroscope monoblock optical channels
RU2630531C1 (en) * 2016-04-06 2017-09-11 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of compensating for thermal bending and deformation of laser gyroscope monoblock optical channels
RU2655626C1 (en) * 2017-03-28 2018-05-29 Николай Александрович Ус Laser gyroscope
WO2021101404A1 (en) * 2019-11-21 2021-05-27 Владимир Валентинович ПАВЛОВ Method for localising electromagnetic energy in antinodes of standing waves
RU2785441C1 (en) * 2021-07-08 2022-12-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Laser gyroscope

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4666302A (en) * 1984-03-31 1987-05-19 Deutsche Forschungs- und Versuchsantalt fur Luft- und Raumfamrt e.V. Ring laser, in particular for a ring laser type of gyro, having a block with an optical resonator cavity and three corner mirrors
JPH02146780A (en) * 1988-11-28 1990-06-05 Hiroaki Aoshima Optical equipment having built-in optical element inside base and manufacture thereof
US4973162A (en) * 1990-03-22 1990-11-27 Kennedy Thomas W Ring laser gyroscope readout
JPH0552575A (en) * 1991-02-08 1993-03-02 Carl Zeiss:Fa Manufacture of laser gyro resonator block
RU2364837C1 (en) * 2008-03-28 2009-08-20 Владимир Васильевич Масленников Laser gyroscope

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4666302A (en) * 1984-03-31 1987-05-19 Deutsche Forschungs- und Versuchsantalt fur Luft- und Raumfamrt e.V. Ring laser, in particular for a ring laser type of gyro, having a block with an optical resonator cavity and three corner mirrors
JPH02146780A (en) * 1988-11-28 1990-06-05 Hiroaki Aoshima Optical equipment having built-in optical element inside base and manufacture thereof
US4973162A (en) * 1990-03-22 1990-11-27 Kennedy Thomas W Ring laser gyroscope readout
JPH0552575A (en) * 1991-02-08 1993-03-02 Carl Zeiss:Fa Manufacture of laser gyro resonator block
RU2364837C1 (en) * 2008-03-28 2009-08-20 Владимир Васильевич Масленников Laser gyroscope

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОРЕНШТЕЙН И.А. и др. Инерциальные навигационные системы. - М.: Машиностроение, 1970, с.161-164. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2617130C2 (en) * 2014-12-30 2017-04-21 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Optical interference mixer for laser gyro
RU2582900C1 (en) * 2014-12-31 2016-04-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко (ОАО "ЭЛАРА") Laser gyroscope
RU2630533C1 (en) * 2016-04-06 2017-09-11 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of compensating for thermal bending and deformation of laser gyroscope monoblock optical channels
RU2630531C1 (en) * 2016-04-06 2017-09-11 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Method of compensating for thermal bending and deformation of laser gyroscope monoblock optical channels
RU2627566C1 (en) * 2016-11-08 2017-08-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Laser gyroscope
RU2655626C1 (en) * 2017-03-28 2018-05-29 Николай Александрович Ус Laser gyroscope
WO2021101404A1 (en) * 2019-11-21 2021-05-27 Владимир Валентинович ПАВЛОВ Method for localising electromagnetic energy in antinodes of standing waves
RU2785441C1 (en) * 2021-07-08 2022-12-08 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации Laser gyroscope

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011152926A (en) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2507482C2 (en) Laser gyroscope
Lu et al. Review of micromachined optical accelerometers: from mg to sub-μg
US9952154B2 (en) Separated parallel beam generation for atom interferometry
US7362443B2 (en) Optical gyro with free space resonator and method for sensing inertial rotation rate
Wang et al. Recent advancements in resonant fiber optic gyro—A review
US20230047956A1 (en) Semi-finished Product for the Construction of a Gyroscope and Gyroscope Including the Semi-finished Product
US20080074673A1 (en) Photonic crystal based rotation sensor
CN114322976B (en) Optical fiber gyroscope and relative intensity noise optical suppression method thereof
Merlo et al. Fiber gyroscope principles
RU2488773C2 (en) Laser gyroscope
Dell'Olio et al. Planar photonic gyroscopes for satellite attitude control
Gossler et al. Mode-cleaning and injection optics of the gravitational-wave detector GEO600
CN104296739A (en) Chip-level nuclear magnetic resonance atomic gyroscope gauge head
CN117268364A (en) Optical fiber gyro integrated optical path structure based on lithium niobate crystal
RU2627566C1 (en) Laser gyroscope
RU2785441C1 (en) Laser gyroscope
Juang et al. Evaluation of ring laser and fiber optic gyroscope technology
Cheng et al. Fiber interferometer combining sub-nm displacement resolution with miniaturized sensor head
NO157752B (en) RLG.
RU2655626C1 (en) Laser gyroscope
US7057734B2 (en) Integrated reaction wheel assembly and fiber optic gyro
RU2709014C1 (en) Method for increasing q-factor of an optical circuit of an annular monoblock laser gyroscope
Chung et al. CubeSat compatible Fiber-Optic Gyroscope
Martin et al. The Litton 11 cm triaxial zero-lock gyro
Nayak et al. Advanced optical gyroscopes

Legal Events

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

Effective date: 20141224