RU90895U1 - Твердотельный лазерный гироскоп - Google Patents

Abstract

Устройство относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использовано при конструировании твердотельных лазерных гироскопов. Устройство содержит задающий лазер и кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, при этом задающий лазер и кольцевой лазер образуют пару «задающий и ведомый лазеры» с инжекцией излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизацией накачки обоих лазеров, так что инжектированные и циркулирующие в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера волны поочередно пробегают через оптический усилитель, а в качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения. Техническим результатом полезной модели является повышение надежности, долговечности и большей устойчивости к действию внешних факторов лазерных гироскопов, более простая технология изготовления и меньшая стоимость лазерного гироскопа. 5 з.п. ф-лы., 5 илл.

Description

Полезная модель относится к области лазерных информационно-измерительных систем и может быть использована при создании твердотельных лазерных гироскопов.

Лазерные гироскопы на эффекте Саньяка, позволяющие измерять угловую скорость вращения подвижных объектов, используются в системах различного назначения - в навигации и автоматическом управлении движением, для индикации поворотов транспортных средств, для стабилизации антенн и телеобъективов в направлении движущихся объектов, в робототехнике и во многих других применениях.

Единственным типом лазерных гироскопов в течение многих лет остается He-Ne-гироскоп, включающий резонатор кольцевого типа, активную среду (смесь газа He-Ne с системой накачки), устройство вывода циркулирующих в резонаторе встречных волн, системы «частотной подставки» и стабилизации периметра резонатора и др.

Лазерный He-Ne-гироскоп относится к высоким технологиям, так как в его производстве используются зачастую уникальные технологии, необходимые для изготовления резонаторов сложной геометрии и высокой точности (с допуском 10 мкм и 15 угловых секунд), отражателей и зеркал с коэффициентом отражения не ниже 99,999% (с тем, чтобы минимизировать обратное рассеяние), термовакуумную обработку резонаторов с температурами до 1200°С, вакуумом до 10^-8 мм. рт. ст. и допуском по примесям в активной среде не более 10^-5.

Что касается используемых систем обработки сигнала лазерного гироскопа, то это связано с так называемым «захватом», или «синхронизмом» частот встречных волн, вызываемым рассеянием света на зеркалах кольцевого He-Ne-лазера, и нестабильностью частот встречных волн.

«Захват частот» обусловлен связью циркулирующих волн, в результате чего даже ничтожный уровень обратного рассеяния (отражения) приводит в лазерном гироскопе без «частотной подставки» к потери чувствительности в области малых угловых скоростей. Дрейф оптических частот излучения кольцевого лазера сказывается на нестабильности масштабного коэффициента - коэффициента пропорциональности, связывающего измеряемую частоту биения волн с угловой скоростью вращения.

Для устранения «захвата частот» используются методы «частотной подставки», с помощью которых рабочая точка на частотной характеристике гироскопа перемещается из зоны захвата на линейный участок. Формирование «частотной подставки» осуществляется однонаправленным или реверсивным вращением лазерного гироскопа [1] или магнитооптическими методами [2].

Таким образом, существующие He-Ne-гироскопы, являясь востребованными приборами, остаются сложными и дорогостоящими в изготовлении и эксплуатации. К недостаткам следует отнести также относительно небольшую надежность и долговечность данных устройств, связанную с характером активной среды, - газовой смеси, - соотношение компонент которой недостаточно устойчиво при длительной работе и хранении.

В настоящее время не существует твердотельных, в том числе полупроводниковых, лазерных гироскопов, которые обладали бы приемлемой для практического использования чувствительностью и могли бы в принципе обеспечить более высокую надежность и долговечность, присущую твердотельным лазерам, и достаточно высокую чувствительность, свойственную лазерному гироскопу. При этом известны многочисленные попытки решения данной задачи.

Наиболее близким по совокупности признаков является твердотельный лазерный гироскоп [3], состоящий из полупроводникового оптического усилителя (ПОУ) и кольцевого резонатора в виде световода, смотанного в катушку, образующих кольцевой лазер, а также оптической системы вывода циркулирующих волн, фотоприемника и электронного устройства (спектрометра радиочастот для измерения частоты биения встречных волн). Полученная максимальная чувствительность измерения скорости углового вращения около 50°/сек неприемлема для практического использования. Причиной низкой чувствительности является также «захват» частот, возникающий при пробеге встречных волн по ПОУ.

Техническим результатом полезной модели является увеличение чувствительности измерения скорости углового вращения твердотельного лазерного гироскопа.

Указанный технический результат достигается выполнением твердотельного лазерного гироскопа в виде кольцевого лазера, состоящего из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, из фотоприемника и электронного блока, задающего лазера и устройства ввода/вывода оптического излучения; при этом задающий и кольцевой лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры», генерирующие с вводом излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизированной накачкой обоих лазеров, при этом устройство ввода/вывода выполнено таким образом, что обеспечивает деление излучения задающего лазера на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер для многократной циркуляции в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера с поочередным пробегом через оптический усилитель и вывод из кольцевого лазера части оптической мощности каждой из двух циркулирующих волн, фазовую модуляцию и интерференцию выводимых волн.

В твердотельном лазерном гироскопе длина световода L и длительность τ импульсов излучения импульсного лазера связаны соотношением τ≤Ln/2c, где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления.

В качестве задающего лазера используется одночастотный лазерный диод, стабилизированный по частоте излучения.

В качестве оптического усилителя используется полупроводниковый оптический усилитель.

В качестве оптического усилителя используется волоконно-оптический усилитель. В качестве оптического усилителя используется оптический усилитель на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.

Описание твердотельного лазерного гироскопа поясняется примерами его осуществления и чертежами. На чертежах представлены:

Фиг.1 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя полупроводникового оптического усилителя;

Фиг.2 - вид в изометрии многофункционального интегрально-оптического элемента, входящего в состав твердотельного лазерного гироскопа по Фиг.1;

Фиг.3 - динамика разности фаз двух волн Δφ(k) в процессе циркуляции волн с одновременным (пунктирными линиями) и поочередным (сплошными линиями) пробегом волн через оптический усилитель для различных уровней коэффициента обратного рассеяния α;

Фиг.4 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя волоконно-оптического усилителя и

Фиг.5 - блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с использованием в качестве оптического усилителя волоконно-оптического усилителя на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.

На Фиг.1 приведена блок-схема устройства 10 - твердотельного лазерного гироскопа с полупроводниковым оптическим усилителем (ПОУ) в качестве активного лазерного элемента. Твердотельный лазерный гироскоп 10 содержит следующие функциональные компоненты: задающий лазер 1, оптический изолятор 2, кольцевой лазер 3, включающий полупроводниковый оптический усилитель 4 (ПОУ 4) и кольцевой резонатор в виде сохраняющего поляризацию одномодового световода 5, смотанного в многовитковую катушку радиусом R=5 см и состоящего из двух частей 5' и 5” длиной 50 м и 150 м, соответственно, устройство ввода/вывода оптического излучения 6, фотоприемник 7, а также электронный блок 8. Импульсный 1 и кольцевой 3 лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры».

Задающий лазер 1 - одночастотный лазерный диод со стабилизированным по частоте излучением, генерирующий излучение в виде повторяющихся с частотой ν импульсов малой длительности. Оптические характеристики задающего лазерного диода, - одночастотность и стабильность частоты излучения, - обеспечиваются брегговской решеткой в качестве одного из зеркал резонатора лазерного диода. Длительность импульсов излучения задающего лазера τ выбрана такой, чтобы «протяженность» импульса l_τ=τ·c/n была равна или несколько меньше, чем половина длины световода L, то есть, чтобы выполнялось условие τ<Ln/2c; в данном случае при L=200 м длительность τ=0,5 мкс.

Оптический изолятор 2 - устройство, используемое для исключения влияния обратных отражений на работу задающего лазерного диода.

Кольцевой лазер 3 в паре с лазерным диодом 1 является ведомым, то есть генерирующим также в импульсном режиме и с инжекцией (вводом) в его резонатор излучения задающего лазерного диода (на Фиг.1 импульс излучения задающего лазера показан как волна 9). При этом фронт импульсов тока на оптический усилитель (накачка кольцевого лазера) синхронизован с моментом генерации задающего лазера, а длительность импульсов накачки Т меньше величины 1/ν, но много больше времени полного пробега излучения по резонатору кольцевого лазера, т.е. T>>K·Ln/c, где Нецелое число ≥2.

Активным элементом кольцевого лазера является ПОУ 4, спектр люминесценции которого соответствует рабочей длине волны излучения задающего лазера.

Оптические выводы ПОУ выполнены в виде сохраняющих поляризацию одномодовых световодов. Стыковка световодов-выводов с лазерной полупроводниковой структурой осуществляется с помощью линз, формируемых на концах световодов, обращенных к полупроводниковой структуре. Для снижения обратного рассеяния (отражения) торцы полупроводниковой структуры скошенным под небольшим углом относительно оси волноводной области и имеют антиотражающие покрытия.

Устройство ввода/вывода 6 имеет входной 11 и выходной 12 порты, соединенные с оптическим изолятором и фотоприемником, и еще два порта, 13 и 14, соединенные с частями 5' и 5” световода 5. Устройство выполнено с помощью двух одномодовых волоконно-оптических разветвителей 15 и 16 конфигурации «2x2» с коэффициентами передачи 1:1, а также многофункционального интегрально-оптического элемента (МИОЭ) 17, выполняющего роль оптического разветвителя и фазового модулятора одновременно.

В качестве МИОЭ 17 используется известное в технике волоконных кольцевых интерферометров устройство [4]. МИОЭ, его вид в изометрии на Фиг.2, имеет три оптических порта в виде световодов-выводов - порты 22, 23 и 24, два фазовых модулятора 25 и 26 и разветвитель-сумматор 27. Элементы МИОЭ сформированы методом высокотемпературного протонного обмена на поверхности кристалла ниобата лития 21 с помощью канальных волноводов 28, 29 и 31, металлических электродов 25а, 25b и 26а, 26b, образованных напылением по обе стороны канальных волноводов 28 и 29. Световоды-порты 22 и 23 оптически сопряжены с фазовыми модуляторами 25 и 26, выходы которых являются входами сумматора 27; выход сумматора сопряжен со световодом-портом 24.

МИОЭ позволяет осуществлять фазовую модуляцию в широком диапазоне частот - вплоть до 10⁹ Гц, полуволновое напряжение ΔU_λ/2, изменяющее фазу проходящей волны на «π», есть ΔUX_λ/2≈(3÷5)В.

С помощью устройства ввода/вывода осуществляется деление излучения задающего лазера на две волны, 18 и 19, а затем инжекция обеих волн в резонатор кольцевого лазера. При этом инжекция волн в резонатор кольцевого лазера производится на границе частей 5' и 5” световода.

После ввода в кольцевой лазер волны начинают пробег по кольцевому резонатору в противоположных направлениях - волна 18 по части световода 5' против направления хода часовой стрелки и волна 19 - по части световода 5” в направлении хода часовой стрелки.

Одновременно с инжекцией волн 18 и 19 в кольцевой лазер на ПОУ подается ток накачки в виде импульса длительностью T=50 мкс; уровень накачки превышает порог собственной генерации кольцевого лазера. Через время 0,5 мкс, когда волна 18 заканчивает пробег через ПОУ и начинает пробег по участку 5”, с противоположной стороны к ПОУ подходит и начинает через него пробег волна 19. Когда волна 19 заканчивает пробег через ПОУ, через него вновь начинает пробег волна 18. Так поочередно сменяя друг друга, каждая из волн 18 и 19 пробегает через ПОУ, восполняя при этом потери. Импульсы накачки ПОУ длительностью Т=50 мкс обеспечивают многократную циркуляцию двух волн в кольцевом лазере, то есть за время 50 мкс делается К циркуляции, где К=50.

По окончании 50-тикратной циркуляции накачка ПОУ снимается и после некоторой паузы, примерно в 10 мкс, процесс повторяется: новый импульс излучения задающего лазера длительностью 0,5 мкс, деление его на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер, подача на ПОУ накачки длительностью 50 мкс, новые 50 циркуляции и т.д. Частота повторений данного процесса ν=1/(50+10)мкс≅16,7 кГц.

В процессе циркуляции с помощью того же устройства ввода/вывода 6 производится вывод из кольцевого лазера части мощности каждой из волн и их смешение, при этом через выходной порт 12 выводятся две волны - 18' и 19'. Одновременно на электроды МИОЭ подается сигнал для модуляции волн. Смешение волн 18' и 19' означает их интерференцию, в результате которой появляется возможность измерения саньяковского сигнала - разности фаз выводимых волн.

Действительно, по окончании каждого нового пробега по кольцевому тракту (резонатору кольцевого лазера) саньковские фазы каждой из двух волн возрастают с противоположными знаками на величину

где R - радиус многовитковой катушки, Ω - угловая скорость вращения и λ - длина волны циркулирующих волн.

Разность фаз в результате k циркуляции могла бы составить

причем, если бы разность фаз Δφ(k) монотонно возрастала, то при достаточно большом числе циркуляции величина разности фаз Δφ(k) многократно превышала бы 2π и поэтому было бы возможно производить измерение частоты биений двух волн ν_c, которая связана с фазой Δφ(k) простым соотношением:

Частота биений ν_c является саньковским сигналом в He-Ne-лазерном гироскопе; в рассматриваемом устройстве 10 измеряемым сигналом, как будет показано, может быть только разность фаз двух волн Δφ(k).

С выходного порта 12 волны 18' и 19' направляются к фотоприемнику 7, где производится фотодетектирование результата смешения (интерференции) волн; далее фототок поступает в электронный блок 8.

Электронный блок 8 используется для питания и синхронизации задающего и кольцевого лазеров, их термостабилизации, управление фазовой модуляцией, для обработки фототока, измерения саньяковской разности фаз выводимых волн и, наконец, для определения угловой скорости вращения Ω.

Работоспособность устройства 10 обеспечивается следующими основными факторами: (а) использованием пары лазеров, - «задающий и ведомый лазеры», - с инжекцией излучения первого в резонатор второго; (б) организацией поочередного пробега инжектированных и циркулирующих волн через оптический усилитель и (в) режимом работы с конечным числом циркуляции волн в кольцевом лазере.

Использование пары «задающий и ведомый лазеры» обеспечивает, во-первых, необходимую для интерференции выводимых волн когерентность, так как циркулирующие волны возникают от одной, общей для них, инжектированной волны и далее в процессе циркуляции волны пробегают по одной и той же трассе. Во-вторых, задающим одночастотным лазерным диодом обеспечивается стабильность частот циркулирующих волн, что в свою очередь означает стабильность масштабного коэффициента всего устройства 10 (в данном случае масштабный коэффициент - коэффициент пропорциональности между измеряемой разностью фаз Δφ(k) и угловой скоростью). Наконец, использование пары «задающий и ведомый лазеры» с инжекцией короткого импульса излучения позволяет реализовать циркуляцию встречных волн в кольцевом лазере с поочередным пробегом через ПОУ.

Чтобы пояснить необходимость поочередного пробега двух волн через оптический усилитель, рассмотрим сначала ситуацию, когда длительность инжектируемого излучения большая, а именно τ≈Ln/c, в результате чего циркулирующие волны пробегают через ПОУ одновременно и постоянно.

Назовем циркулирующие волны 18 и 19 «прямыми» и обозначим их комплексные амплитуды как А_k и B_k. Будем полагать, что обратное рассеяние (отражение) возникает в некой одной точке внутри ПОУ, при этом образуются «обратные» волны А'_k и В'_k, амплитуды которых определяются коэффициентом обратного рассеяния (отражения) α:

Допущение, что обратное рассеяние возникает внутри ПОУ обосновано, так как измерения на действующем макете устройства 10 показали, что уровень обратного рассеяния в ПОУ порядка 30 дБ (точное значение было 33,5 дБ). Обратное же отражение для разветвителей, входящих в состав макете устройства 10, было на три-четыре порядка слабее, а релеевское обратное рассеяние внутри световодов, как известно, еще много меньше.

Для описания процесса циркуляции двух волн учтем, что в результате каждой новой циркуляции фазы обеих волн изменяются - для одной волны на величину «+φ», а для другой волны на «-φ»; при этом действительные части, или модули, комплексных амплитуд остаются постоянными. Учтем также, что «обратные» волны А'_k и В'_k взаимодействует, соответственно, с волнами В_k. и А_k, так как попарно эти волны, - {A_k, B'_k} и {B_k, A'_k}, - распространяются в одном направлении.

Тогда процесс циркуляции с накоплением саньковских фаз ±φ и взаимодействием волн {А_k, В'_k) и {В_k, А'_k} может быть описан следующей системой рекуррентных уравнений:

где А_к=В_к=А₀ для всех k.

Из системы уравнений (5) следует, что «прямые» волны А_k и В_k комплексно сопряжены, то есть А_k==А₀, а их. фазы φ_А(k) и φ_B(k) равны по абсолютной величине, но отличаются знаком. Величина фаз φ_A(k), φ_B(k) и их разность Δφ(k) в этом случае весьма просто определяются численным решением системы уравнений (5).

Результаты расчета приведены на Фиг.3, где пунктирными линиями показана динамика разности фаз Δφ(k) для различных значений коэффициента α, но при равных прочих параметрах: Ω=15°/час, R=5 см, λ=1,55 мкм и n=1,5. Как можно видеть, в ходе циркуляции в той или иной степени имеет место замедлением роста разности фаз Δφ(k). Более того, по достижении некого числа циркуляции К' имеет место прекращение роста разности фаз. Только в случае полного отсутствия отражений, то есть при α=0,0 дБ, разность Δφ(k) линейно возрастает с числом циркуляций.

Вернемся теперь к устройству 10, для которого длительность вводимых и циркулирующих волн небольшая, а именно τ≤Ln/2c, и при этом волны поочередно пробегают через ПОУ. В этом случае действие обратного рассеяния в рамках описанной модели исключается, поскольку волны в каждой из пар {А_k, В'_k} и {В_k, А'_k} циркулируют по кольцевому резонатору врозь и их взаимодействие, следовательно, невозможно.

Тем не менее, обратное рассеяние и отражения, принципиально, остаются. Модель взаимодействия волн в этом случае несколько сложнее и связана с образованием

«вторичных обратных» волн и .

Теперь (в новой модели) попарно будут взаимодействовать волны {А_k, А”_k) и {В_k, В”_k}, причем связь волн в каждой паре приведет снова к уравнениями вида (5). Например, первая пара {A_k, А”_k} даст уравнения:

где А_k=А₀ и А'₁=0. Вторая пары даст еще два аналогичных уравнения.

Совместное решение 4-х уравнений снова приведет к конечному числу циркуляции К, в пределах которого разность фаз возрастает, а далее остается постоянной. На Фиг.3 в виде сплошных линий показаны зависимости Δφ(k) для тех же параметров, что использовались ранее в случае волн, одновременно и постоянно пробегающих через ПОУ. Можно видеть, что для соответствующих значений коэффициентов α числа К теперь существенно больше, чем числа К', рассчитанные ранее.

Описанный эффект прекращение роста разности фаз Δφ(k) является ничем иным, как эффектом «захвата», или «синхронизма» частот встречных волн, известным в технике He-Ne-гироскопов. Применительно к устройству 10 этот эффект правомерней было бы назвать «захватом» или «синхронизмом» фаз встречных волн.

Нетрудно проверить с помощью численно решения, что в обоих случаях, - при одновременном и поочередном пробеге волн через ПОУ, - «частотная подставка» позволила бы избежать «захвата» фаз и частот. При расчетах в рамках обеих используемых моделей фазы волн записывались как φ_A(k)=φ(k)+2πν₀ и φ_B(k)=-φ(k)-2πν₀, где ν₀ - величина «частотной подставки». При достаточно большой величине «подставки» (ν₀~100,200… Гц - в зависимости от величины коэффициента α) разность фаз Δφ(k) по мере циркуляции линейно возрастала, что позволило бы производить измерение частоты биения волн ν_c.

Однако поскольку в полезной модели отсутствует «частотная подставка», то как было показано выше, число циркуляции К, в пределах которого разность фаз Δφ(k) возрастает, ограничено и поэтому возможно измерение только разности фаз выводимых волн Δφ(k).

Измерение разности фаз Δφ(k) в устройстве 10 производится в соответствии с известным в технике волоконных кольцевых интерферометров методом [4]. С помощью МИОЭ осуществляется пилообразная фазовая модуляция, обеспечивая работу системы измерения в режиме замкнутого контура. При этом сигнал с фотоприемника преобразуется в дискретный и затем демодулируется. На выходе демодулятора формируется сигнал рассогласования, который затем интегрируется и используется для получения наклона «пилы», соответствующего разности фаз Δφ(k). Таким образом вырабатывается пилообразная модуляция, имеющая частоту f, связанную с «наклоном» пилы, и постоянную фазовую амплитуду, равную 2π. Мерой разности фаз Δφ(k) является частота «пилы» f, по которой определяется угловая скорость вращения Ω.

На Фиг.4 приведена блок-схема устройства 40, иллюстрирующая другой вариант твердотельного лазерного гироскопа с использованием волоконно-оптического усилителя (ВОУ). Лазерный гироскоп 40 содержит задающий лазер 1, также одночастотный лазерный диод со стабильной частотой излучения, оптический изолятор 2, ведомый кольцевой лазер 41, состоящий из ВОУ 42 и кольцевого резонатора из сохраняющего поляризацию одномодового световода 5, смотанного в катушку и, как прежде, из двух частей 5' и 5” длиной 50 м и 150 м; гироскоп 40 кроме того включает оптическое устройство ввода/вывода 6, фотоприемник 7 и электронный блок 8.

Волоконно-оптический усилитель, как известно, представляет собой устройство на основе кварцевых световодов, активированных редкоземельными элементами. В данном случае ВОУ 42 - эрбиевский оптический усилитель [5], широко используемый в современной телекоммуникационной технике. Он состоит из активного световода 43 на основе сохраняющего поляризацию Er:Yb-волокна (Er-эрбий и Yb-итербий), в частном случае, длиной 3 м, лазера накачки 44, оптического изолятора 45, разветвителя-мультиплексора 46 и световода 47, соединяющего лазер накачки 44, изолятор 45 и мультиплексор 46.

Рабочая длина волны задающего и кольцевого лазеров λ=1,55 мкм, активный эрбиевский световод 43 смотан на общую со световодом 5 катушку и встроен в резонатор кольцевого лазера с помощью сварных соединений, помеченных на Фиг.3 крестиками.

Лазер накачки генерирует на длине волны 0,98 мкм, соответствующей полосе поглощения эрбиевского оптического усилителя, изолятор 45 используется, как обычно, для стабильной работы лазера накачки, а разветвитель-мультиплексор - для эффективного ввода излучения излучения-накачки в световод-усилитель 43. Питание, синхронизация и термостабилизация обоих лазеров, управление фазовой модуляцией, обработка фототока, измерение разности фаз выводимых волн и определение угловой скорости вращения обеспечиваются электронным блоком 8.

Работа устройства 40 в целом идентична работе устройства 10. Здесь также ограниченное число циркуляции К, в пределах которого происходит накопление саньковского сигнала. Однако уровень паразитных отражений может быть меньшим и поэтому число циркуляции К, а соответственно величина разности фаз и чувствительность к угловой скорости будет больше, чем в устройстве 10.

Лазерный гироскоп может быть выполнен также с использованием оптического усилителя на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна, за рубежом больше известного как рамановский оптический усилитель [6].

На Фиг.5 приведена блок-схема твердотельного лазерного гироскопа с оптическим усилителем на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна. Лазерный гироскоп 50 содержит задающий лазер 1, оптический изолятор 2, ведомый кольцевой лазер 51, состоящий из кольцевого резонатора в виде сохраняющего поляризацию одномодового световода 5 и из двух световодов-частей 5' и 5” длиной 50 м и 150 м; гироскоп 50 включает также оптическое устройство ввода/вывода 6, фотоприемник 7 и электронный блок 8.

В качестве активной среды используется сам волоконный световод 5, а усиление происходит с помощью оптической накачки. Варианты накачки могут быть различные, но оптимальным представляется вариант с накачкой «в обе стороны» - энергия накачки распространяется по волокну 5 в виде катушки в обе стороны.

В качестве источника оптической накачки используется лазер 52, соединенный через оптический изолятор 53 с разветвителем 54, делящим накачку на два потока, и разветвитель-мультиплексор 55, с помощью которого накачка вводится в световод 5 «в обе стороны». Длина волны накачки должна быть ниже рабочей длины излучения задающего лазера на 10 ТГц.

Использование лазерного гироскопа с оптическим усилителем на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна позволит уменьшить уровень обратного отражения, что в конечном итоге чувствительность.

Назначение других функциональных компонент устройства 50 и его работа идентична назначению аналогичных компонент и работе устройств 10 и 40.

Описанные выше варианты твердотельного лазерного гироскопа поясняют принцип работы данной полезной модели, при этом конкретные числовые параметры (длина световода L, длительности τ=0,5 мкс и др.) приведены в качестве примера.

При использовании пары лазеров, - задающего и ведомого, - и реализации повторяющихся многократных циркуляций встречных волн с поочередным пробегом через оптический усилитель циркулирующие волны заведомо когерентны, что необходимо для интерференции волн. Многократные циркуляции позволят накапливать саньяковский сигнал, а поочередный пробег через оптический усилитель в значительной мере снизит эффект «захвата» частот. Использование стабилизированного по частоте излучения задающего одночастотного лазера определит стабильность и низкую чувствительность масштабного коэффициента к внешним воздействиям.

Выбор конкретного усилителя будет определяться назначением и требуемой чувствительностью твердотельного лазерного гироскопа, трудоемкостью и ценой изготовления.

Литература.

1. Б.В.Федоров, А.Г.Шереметьев и В.Н.Умников. Оптический квантовый гироскоп. М.: Машиностроение, 1972.

2. В.В.Азарова, Ю.Д.Голяев, В.Г.Дмитриев. “Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии”. Квантовая электроника. Т.30, №2, 2000, стр.96.

3. S.Tamura, К.Inagaki, Н.Noto and Т.Harayama. “Experimental investigation of Sagnac beat signals using semiconductor fiber-optic ring laser gyroscope based on semiconductor optical amplifier”. Proc. SPIE, Vol.6770, 677014 (2007)

4. H.C.Lefevre, Ph.Martin, T.Gaiffe at all. “Latest advances in fiber-optic gyroscope technology.” Proc. SPIE, v.2292, pp.156-165, 1994.

5. R.J.Mears, L.Reekie, I.M.Juancey, D.N.Payne, “Low-noise Erbium-doped fiber amplifier operating at 1.54 µm”. Electronics Letters, vol.23, pp.1026-1028, 1987.

6. M.Islam and M.Nietubyc. “Raman amplification opens the S-band window”. WDM Solutions, March 2001, pp.53-65.

Claims (6)

1. Твердотельный лазерный гироскоп, включающий кольцевой лазер, состоящий из твердотельного оптического усилителя и кольцевого резонатора в виде смотанного в катушку световода, фотоприемник и электронный блок, отличающийся тем, что дополнительно содержит задающий лазер и устройство ввода/вывода оптического излучения, при этом задающий и кольцевой лазеры образуют пару «задающий и ведомый лазеры», генерирующие с вводом излучения задающего лазера в резонатор кольцевого лазера и синхронизированной накачкой обоих лазеров, при этом устройство ввода/вывода выполнено таким образом, что обеспечивает деление излучения задающего лазера на две волны, ввод обеих в кольцевой лазер для многократной циркуляции в противоположных направлениях в резонаторе кольцевого лазера с поочередным пробегом через оптический усилитель и вывод из кольцевого лазера части оптической мощности каждой из двух циркулирующих волн, фазовую модуляцию и интерференцию выводимых волн.

2. Твердотельный лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что длина световода L и длительность τ импульсов излучения импульсного лазера связаны соотношением τ≤Ln/2c, где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления.

3. Твердотельный лазерный гироскоп по п.2, отличающийся тем, что задающий лазер является одночастотным лазерным диодом, стабилизированным по частоте излучения.

4. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется полупроводниковый оптический усилитель.

5. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется волоконно-оптический усилитель.

6. Твердотельный лазерный гироскоп по п.3, отличающийся тем, что в качестве оптического усилителя используется оптический усилитель на основе вынужденного эффекта Мандельштама-Брилюэна.