ЛА́ЗЕРНЫЙ ГИРОСКО́П
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЛА́ЗЕРНЫЙ ГИРОСКО́П, разновидность квантового гироскопа, прибор для измерения угловой скорости вращения (угла поворота) тела, на котором он установлен, с помощью кольцевого лазера. В кольцевом лазере используется оптический резонатор спец. вида (кольцевой резонатор), представляющий собой систему зеркал, направляющих световой луч по замкнутому контуру. Внутри резонатора по этому контуру в противоположных направлениях распространяются две генерируемые лазером встречные бегущие волны, имеющие частоты, близкие к собств. частотам резонатора. При вращении лазера вследствие зависимости времени обхода вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода возникает разность частот встречных волн (расщепление частот, см. Саньяка опыт) $$\Delta f=\frac{4S\Omega}{\lambda P}\cos \theta \tag1$$где $Ω$ – угловая скорость вращения, $S$ – площадь, охватываемая контуром резонатора, $θ$ – угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура, $P$ – его периметр, $λ$ – длина волны излучения. Встречные волны выводятся из лазера через полупрозрачное зеркало резонатора и смешиваются на фотоприёмнике. Интенсивность смешанного излучения осциллирует с частотой биений, равной разности частот встречных волн $Δf$. Синусоидальный сигнал с выхода фотоприёмника обрабатывается с помощью спец. электронных схем, подсчитывается изменение разности фаз встречных волн за время измерения, пропорциональное углу поворота кольцевого резонатора. Для измерения полного вектора угловой скорости (или угла поворота) используют три кольцевых лазера, измеряющих проекции вектора угловой скорости на три ортогональных направления.
В реальных кольцевых лазерах вследствие обратного рассеяния встречных волн на микронеоднородностях зеркал резонатора и усиливающей среды возникает взаимная синхронизация (захват) частот встречных волн. Внутри зоны захвата частота биений оказывается равной нулю, а вблизи границ этой области зависимость частоты биений от скорости вращения значительно отличается от формулы (1), что недопустимо для правильной работы Л. г. Для уменьшения области захвата в Л. г. используются высококачественные зеркала с малым обратным рассеянием. Для измерения малых угловых скоростей, попадающих в область захвата, создают дополнительное (не связанное с измеряемой угловой скоростью) расщепление частот встречных волн. Это можно сделать, возбуждая крутильные колебания в плоскости лазерного контура (колебания с амплитудой порядка 100″ и с частотой порядка 100 Гц). Др. способ устранения зоны захвата – реализация Л. г. с неплоским лучевым контуром. В таких Л. г. при наложении магнитного поля вместо двух встречных волн с разными частотами существуют четыре: две волны с разными частотами и поляризациями в одном направлении и две – во встречном направлении.
Л. г. обычно создаются на основе гелий-неоновых лазеров, имеющих высокую стабильность, малое обратное рассеяние в активной среде, высокую надёжность и компактность. Л. г. имеет преимущества перед механич. гироскопами: малое время готовности после включения, практически неограниченный диапазон измеряемых скоростей, нечувствительность к большим линейным ускорениям, устойчивость к сильным механич. перегрузкам. Поэтому Л. г. постепенно вытеснили механич. гироскопы практически во всех совр. навигац. системах.