Макеты страниц 3.6. Волоконно-оптические гироскопыВозможность измерения угловых скоростей вращения интерферометрическим способом была экспериментально продемонстрирована еще в 1913 г. Саньяком [321], который установил, что вращение кольцевого интерферометра (рис. 3.29, а) вокруг оси, перпендикулярной его плоскости, вызывает появление разности фаз световых волн, распространяющихся по замкнутому контуру во встречных направлениях. Объясняется это следующим образом. Согласно общей теории относительности времена прохождения света по замкнутому оптическому контуру (рис. 3.29, б) во вращающейся системе координат будут различны для встречных направлений [56]. Разница во времени составляет
где
где А — площадь, охватываемая контуром. Выражение (3.95) справедливо для контура произвольной формы и не зависит от положения центра вращения.
Рис. 3.29. Интерферометр Саньяка (а) и классическая интерпретация эффекта Саньяка (б): 1 — источник света; 2, 3, 4 — полностью отражающие зеркала; 5 — полупрозрачное зеркало Разности времен
Это выражение не изменяется, если интерферометр заполнен средой с показателем преломления Выражение для В неподвижном интерферометре время обхода контура каждым из лучей одинаково и равно
для встречной волны
Отсюда
В первом приближении по
и
Сдвигу фаз
Формулы (3.97) и (3.98) можно получить исходя из другой упрощенной модели: длину пути считать неизменной, а скорость света — различной для встречных направлений распространения. Таким образом, разность фаз встречных световых волн в кольцевом интерферометре пропорциональна угловой скорости вращения.
Рис. 3.30. Лазерный гироскоп: 1 - 3 - зеркала кольцевого оптического резонатора; 4 — активная среда; 5, 6 — зеркала смесителя встречных воли, 7 — фотоприемник и процессор Это позволяет наблюдателю, находящемуся во вращающейся системе координат, измерять скорость вращения и значение угла поворота этой системы. В 1925 г. Майкельсон [269], измерял достаточно малую величину — угловую скорость вращения Земли — с помощью интерферометра Саньяка прямоугольной формы с размерами В лазерных гироскопах (рис. 3.30) кольцевой интерферометр используется в качестве резонатора лазера. Невзаимный сдвиг фаз встречных волн, обусловленный вращением, вызывает расщепление собственных частот резонатора для встречных направлений. Условие резонанса для кольцевого резонатора с оптической длиной контура направлений приводит к расщеплению собственных частот. Используя выражение (3.98), получаем выражение для этого расщепления:
Если резонатор заполнен средой с показателем преломления
В дальнейшем при рассмотрении волоконно-оптических гироскопов немаловажными будут два факта: выражение (3.96) для сдвига фаз Генерация в лазере с кольцевым резонатором происходит на частотах, близких к собственным. Таким образом, смешивая встречные световые лучи лазера на фото детекторе, мы получаем электрический сигнал биений на частоте Именно в силу этих преимуществ исследования физики и техники лазерных гироскопов, начало которым положила первая экспериментальная работа в С развитием лазерных гироскопов стали ясны и их недостатки. Неотъемлемой частью любого генератора, в том числе и оптического, является усиливающий (активный) элемент. Частоты, на которых происходитгенерация, не совпадают с собственными частотами пассивного резонатора вследствие аномальной дисперсии света в активной среде. Кроме того, всегда существует нелинейное взаимодействие встречных волн в активной среде, изменяющее в конечном счете ее дисперсионные свойства на частотах генерация. Наконец, связь между встречными волнами за счет обратного рассеивания на элементах лазера приводит вследствие нелинейного взаимодействия встречных волн к синхронизации («захвату») их частот при малых скоростях вращения. При этом прибор становится нечувствительным к вращению. Чтобы вывести лазерный гироскоп из полосы синхронизации частот встречных! волн, создают частотную «подставку» с помощью невзаимного фарадеевского элемента, знакопеременного вращения и т. п. Однако нелинейное взаимодействие между встречными волнами приводит к ошибкам при измерении угловых скоростей и вне полосы захвата, причем числовые значения этих ошибок зависят от положения частот генерации относительно максимума линии усиления, превышения порогового значения усиления, обратного рассеяния в резонаторе, внешнего магнитного поля и других причин. Существенно и то, что в лазерных гироскопах в качестве активной среды используется, как правило, гелий-неоновая смесь.
Рис. 3.31. Многовитковый волоконный, аналог интерферометра Саньяка: 1 — источник излучения; 2, 3 — делительные зеркала; 4 — волоконная катушка; 5,6 — фотодетекторы Следовательно, необходимо применять высококачественные диэлектрические зеркала и вакуумную технологию, сокращается срок службы и повышается стоимость прибора. Недостатки лазерных гироскопов подтолкнули исследователей и конструкторов к созданию оптических гироскопов с пассивным интерферометром, позволяющим использовать новые возможности, которые открывает волоконная оптика.
|
Оглавление
|