Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ)

Эффект Саньяка очень мал – оригинальный эксперимент требует высокой скорости вращения для демонстрации этого явления. Предполагая, что замкнутые области больше, чем 1 м², а скорость боьше, чем 2π рад/с, и длина волны 1 мкм, разность фаз только 0,5 рад, то есть примерно десятая часть интерференцтонной полосы. Эффект должен быть существенно повышен, если сделать практический вращающийся датчик с хорошей чувствительностью и компактностью.

В начале шестидесятых годов было предложено использовать кольцевое лазерное пространство для увеличения эффекта Саньяка, потому что свет рециркулирует много раз вокруг полости [8]. Эта технология в настоящее время хорошо обдумана [9,10], и кольцевой лазерный гироскоп (или КЛГ или лазерный гироскоп) имеет значительные улучшения в производительности и надежности для инерциальных навигационных систем.

В обычных лазерах, излучение с длиной волны является неотъемлемой кратной частью двойной длины резонатора Фабри-Перо (см. приложение 1). Это можно сделать в кольцевой полости, работающей на том же принципе оптического резонатора (Рисунок 2.8). Полости имеет зеркала с почти полным отражением и одно выходное зеркало с небольшой проницаемостью. Два противоположно распространяющиеся луча выводятся через зеркало вывода. В состоянии покоя испускаемые частоты (или длины волн) равны, поскольку длина полости та же в обоих направлениях. При вращении появляется небольшая разница в длине полости в связи с эффекто Саньяка, который дает разность частот между выходящими лучами:

(2.17)

где A – площадь области, заключенной в полости кольца, – периметра и λ – длина волны в состоянии покоя. Эта разница частота измеряется путем сложения двух выходных лучей для получения интерференции. Поскольку лучи имеют разные частоты, их разность фаз получается как

(2.18)

и интенсивность интерференции I модулируется как колебание с частотой :

. (2.19)

Противонаправленные колебания дает угол поворота, поскольку частота пропорциональна скорости вращения Ω. Значения угла, соответствующего одному периоду модуляции, называется приращением углового шага с

(2.20)

Большинство высокопроизводительных лазерных гироскопов имеют треугольную или квадратную полости с периметром около 30 см. Они работают на длине волны от 633 нм с He-Ne усилительной средой. Мы имеем

Поворот 1 град/ч (т.е. 1 arcsec/c) дает шаг частотой 0,5 Гц.

Эффект может пониматься очень просто, с учетом "идеальной" кольцевой полости. Оба противонаправленные луча создают стоячую волну с интервалом λ/2 между узлами (Рисунок 2.9). Когда гироскоп вращается, стоячая волна неподвижна в инерциальном пространстве, но датчик поворачивается и дает одиночный импульс каждый раз, когда он проходит длину λ/2. Поэтому угловой шаг это просто

(2.21)

где R – радиус полости (который согласуется с общей формулой поскольку в этом случае и ).

Основная проблема лазерного гироскопа состоит в явлении синхронизации мод между противонаправленными лучами. Фактически это осцилляторы с очень высокой резонансной частотой (в диапазоне от 5·10¹⁴ Гц) и очень малой разностью частот. Если есть некоторая слабая связь между обоими осцилляторами, они будут заблокированы вместе и будут колебаться при одной частоте, создавая мертвую зону на низкой скорости вращения. Основным источником взаимодействия является обратное рассеяние зеркал. Интенсивными технологическими усилиями необходимо улучшить качество светоотражающего покрытия. Однако даже при очень низких рассеяниях зеркал, есть еще мертвая зона (обычно несколько десятков градусов в час), которая значительно шире, чем потенциальная чувствительность прибора, и это решается с механической вибрацией гироскопа, во всяком случае, за пределами мертвой зоны. Представленные вибрации лазерного гироскопа имеют превосходные исполнения (отклонения от стабильности лучше, чем 10^–2 град/ч и точность масштабного фактора лучше, чем 1 пм в динамическом диапазоне от ±400 град/с); но это очень сложная технология и с прогрессом, достигнутым в семидесятые годы, низким уровнем потерь оптических волокон, интересной альтернативой стали волоконно-оптические гироскопы.