Кольцевой оптический квантовый генератор

 

КОЛЬЦЕВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР для измерения угловых скоростей и перемещений, содержащий резонатор с размещенными в нем изотропными элементами и частичным линейным амплитудным поляризатором , отличающийся тем, что, с целью повышения точности , чувствительности и расширения диапазона измерения скорости вращения , в резонатор помещен оптический вращатель плоскости поляризации , состоящий из оптического вращателя и ячейки Фарадея.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК

„„SU, „750624

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

+ ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОбРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2149509/18-25 (22) 26.05.75 (46) 23.10.85. Бюл. N - 39 (71) Ордена Трудового Красного знамени институт физики АН БССР (72) В.И..Сардыко (53) 621.375 ° 8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 270359, кл. С 01 Р 3/68, 1964.

Васильев В.П., Рубанов В.С. "KIC" т. 10, вып. 6, с. 920, 1969. (51)4 Н 01 S 3/081 H 01 S 3/083 (54) (57) КОЛЬЦЕВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР для измерения угловых скоростей и перемещений, содержащий резонатор с размещенными в нем иэотропными элементами и частичным линейным амплитудным поляризатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и расширения диапазона измерения скорости вращения, в резонатор помещен оптический вращатель плоскости поляризации, состоящий из оптического вращателя и ячейки Фарадея.

750624

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам для измерения угловых скоростей и перемещений с помощью кольцевых оптических квантовых генерато5 ров (ОКГ) .

Взаимодействие (связь) встречных волн в кольцевых ОКГ приводит к тому, чта при малых вращениях эти устройства становятся нечувствитель" ными к угловым перемещениям (зона захвата), а при больших угловых скоростях зависимость частоты биений встречных волн от скорости вра15 щения нелинейна. Для уменьшения взаимодействия характеристики излучения для встречных направлений в кольцевых ОКГ стремятся сделать как можно более отличающимися как

20 по частоте, так и по поляризации.

Известно невзаимное частотное устройства, которое создает начальное частотное расщепление встречных волн (частотную подставку), что

25 позволяет измерять малые скорости вращения и уменьшает погрешности измерения. Однако из-за относительно малой частотной подставки (килогерцы, десятки килогерц), влияние обратной связи остается довольно большим, в результате чего зависимость частоты биений встречных волн от скорости вращения (частотная характеристика) остается нелинейной, а диапазон измерения угла- 35 вых скоростей становится ограниченным сверху. Величина частотной подставки определяется величиной напряженности продольного магнитного поля на невэаимном устройстве, по- 40 этому нестабильность магнитного поля, случайные внешние магнитные поля, а также зависимость постоянной Вердэ магнитооптического материала невзаимного устройства от тем- 45 пературы и других внешних параметров представляют собой дополнительные источники погрешности измерения скорости вращения. Увеличивая частотную подставку, можно значи- 50 тельно уменьшить погрешность измерения, обусловленную взаимодействием встречных волн, но при этом растут ошибки, вызванные нестабильностью магнитного поля и влиянием 55 внешних полей.

Известен также кольцевой ОКГ, содержащий резонатор с размещенными в нем изотропными элементами и частичным линейным амплитудным поляризатором. Устройство содержит естественный вращатель плоскости поляризации и частичный линейный поляризатор, помещенные в четырехзеркальный резонатор, В этом устройстве взаимодействие встречных волн уменьшается не за счет создания частотной подставки, а за счет разделения плоскостей поляри заций линейно поляризованного излучения для двух направлений распространения, С помощью этого устройства взаи.модействие встречных волн можно ,уменьшить. Однако это устройство име1 ет ряд недостатков ° Связь между волнами остается значительной, поскольку в устройстве отсутствует частотная подставка и генерация во встречных направлениях осуществляется при отсутствии вращения на совпадающих частотах. В результате этого диапазон измерения вращения с помощью данного кольцевого ОКГ остается ограннченным со стороны малых скоростей вращения (зоны захвата), а при больших угловых скоростях измерения по-прежнему сопровождаются значительными ошибками, поскольку ход частотной характеристики кольцевого ОКГ вблизи зоны захвата, кроме скорости вращения, зависит от многих других параметров устройства, например таких, как расстройка, обротность, усиление.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измерения скорости вращения.

Это достигается внесением в резонатор кольцевого ОКГ, оптического вращателя плоскости поляризации, состоящего из двух оптических элементов — естественного оптического вращателя и ячейки Фарадея.

На фиг. 1 и 2 показаны условные схемы двух вариантов предлагаемого устройства; на фиг. 3 — принципиальная схема устройства, Устройство содержит зеркала кольцевого резонатора 1-4, изотропный по поляризации активный элемент

5, блок питания активного элемента

6, частичный линейный поляризатор

7, устройство 8 для сведения встречных лучей, выходящих иэ кольцево750624

Ю го ОКГ, фотодетектор 9, регистри-. рующее устройство 10, оптический вращатель 11, естественный оптический вращатель 12 и ячейку Фарадея 13. 5

В качестве естественного оптического вращателя, обеспечивающего поворот плоскости поляризации на угол близкий к 90 можно использоЭ Э

1О вать циркулярно-фазовую пластинку с разностью набега фаз для двух круговых поляризаций, близкой к 180,, На фиг. 1 изображен вариант предлагаемого устройства, где в качестве естественного оптического вращателя 11.1 использована циркулярно-фазовая пластинка.

При использовании резонатора с нечетным количеством зеркал роль естественного оптического вращателя может играть линейно-фазовая полуволновая пластинка в комбинации с одним из зеркал резонатора, выставленная так, что выделенное направление (выделенное направление — плоскость, для которой показатель преломления волны максимален) лежит в плоскости, перпендикулярной к лучу, и направлено под углом, близким к

45 относительно плоскости резона- 30 тора.

На фиг. 2 представлена схема второго варианта устройства, в котором в качестве естественного оптического вращателя 11.1 использована комбинация, состоящая из полуволновой пластинки 11,0 и одного из зеркал резонатора (зеркало 3).

На фиг. 3 приняты следующие обозначения: — оптическая частота щ собственные часто19 ты резонатора, содержащего анизотропные элементы, а4 — межмодовое

Д" 4 расстояние- — смещение резонанс2 ных частот резонатора при вращении устройства; знаками + и — обозначены направления распространения лучапо часовой стрелке и против нее °

Для одного из направлений обхода контура естественный опти- 50 ческий вращатель и ячейка Фарадея частично компенсируют друг друга, в результате чего устройство эквивалентно одному вращателю с небольшим углом поворота плоскости поляри- 11 зации и частичному линейному поляризатору. При определенных параметрах этих оптических элементов,можно получить режим генерации на линейных поляризациях с частотой излучения, не зависящей от угла поворота плоскости поляризации вращателем, т.е. от напряженности магнитного поля на ячейке Фарадея (в некотором диапазоне его изменения).

Для встречного направления обхода контура эффекты естественного вращателя и ячейки Фарадея суммируются, в результате чего устройство эквивалентно одному оптическому вращателю с небольшим углом по ворота плоскости поляризации при дополнительном набеге фаз, равном 180, и частичному линейному поляризатору.

При некоторых параметрах оптических элементов устройства для этого направления обхода контура также можно получить режим генерации на линейных. поляризациях, причем оптические частоты излучения отличаются от частот излучения в прямом направлении на половину межмодового интервала и не зависят от напряженности магнитного поля на ячейке Фарадея в некотором диапазоне изменения поля. Поэтому частотный спектр излучения кольцевого ОКГ имеет вид, показанный на фиг. 3 сплошными линиями. Азимуты поляризаций излучения зависят от параметров анизотропных элементов устройства. Подбором значений этих параметров можно осуществить разделение плоскостей поляризаций встречных волн вплоть до ортогональных.

При вращении устройства частоты излучения смещаются (см. фиг. 3, пунктирные линии). Если в обоих направлениях осуществлен одномодовый режим генерации, то частота биений между встречными волнами на выходе фотодетектора отличается от на величину d4, пропорциональную скорости вращения.

Если осуществлен многомодовый режим генерации (см. фиг. 3), то в спектре биений наблюдаются частоты — + сИ д ) а1 2 и — о . Используя стандартные радиотехнические методы, можно выделить частоту (†„ + d g) д1

Ь (— — " 1 ) 2 A которчя непосрЕд2

1 ственно имеет информацию о вращении.

750624

Составитель

Редактор О. Юркова Техред С.Мигунова Корректор А. Зимокосов

Заказ 7025/2 Тираж 637 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Характеристики оптических элементов устройства, при которых достигается требуемый режим; а также азимуты плоскостей поляризаций излучения могут быть получены с помощью расчетной методики матриц Джонса.

В предлагаемом устройстве достигается частотный режим работы кольцевого ОКГ, который сопровождается поляризационной невзаимностью встречных волн, что практически исключает взаимодействие волн из-за обратного рассеяния. Этот частотный режим фактически не зависит от изменений магнитного поля. В результате устройство дает возможность измерять угловые перемещения с большей по сравнению с изве10 стными устройствами точностью и расширяет диапазон измеряемых угловых скоростей.