Лазерный мир

Д.Лукьянов, Ю.Филатов, Ю.Голяев, В.Курятов, В.Виноградов, К.-У.Шрайбер, М.Перлмуттер // Фотоника,1, 2014, с:42-62

Рассматривается предыстория создания лазерного гироскопа, которая берет свое начало с одного из фундаментальных направлений физики – оптики движущихся сред и, в частности, эффекта Саньяка. Анализируются предпосылки прогнозирования и создания первого твердотельного лазерного гироскопа, который открыл новую эру волновых гироскопов.

LASER GYROSCOPE IS 50 YEARS OLD
The history of laser gyroscope (LG) creation is considered in this paper; it originates from one of the fundamental schools of physics – moving media optics and, particularly, Sagnac effect. Preconditions for forecasting and creation of the first solid-state LG which started the new era of wave gyroscopes are analyzed. Einstein’s theory of induced radiation was its scientific foundation; this theory was developed
by N.G. Basov, A.M. Prokhorov and C. Townes, Nobel Prize winners, who created the first quantum generator (maser) in the world, predecessor of optical coherent radiation – laser. It turned out to be enough for the creation of the first laboratory model of laser gyroscope in 1962. Stage-by-stage history of the development of LG construction concepts is considered in the report starting from their first samples with minimum configuration and finishing with multi-frequency Zeeman modifications with non-planar resonators. Dominating role of the laser gyroscopy is shown in the creation of inertial modules, strapdown inertial and integrated navigation systems.
Particular attention is paid to the modern condition of gyroscope market in general and role of LGs among gyroscopes; the main tendencies of inertial sensor market development are marked out. The main manufacturers of LGs as well as systems based on them are specified. Information on the development of very large laser gyroscopes is given.

Введение
Эпоха «железных» гироскопов, открытая изобретением в 1851 году Ж.Б.Л. Фуко (а на самом деле И.Г.Ф. Боненбергера в 1817 году), дала человечеству ключи к открытию тайн космического пространства и глубин мирового океана, создала предпосылки для разработки нового поколения систем навигации и управления различными объектами гражданского и военного направления. В годы холодной войны «железные» гироскопические технологии достигли своей вершины, с высоты которой оценивалась способность военного противостояния и сдерживания двух мировых систем [1].
К середине XX столетия академическая наука в СССР и США разработала теорию квантовых молекулярных генераторов, которая явилась основой нового поколения приборов – лазеров. С их появлением в недрах военно-промышленных комплексов стали разрабатываться и реализовываться фантастические проекты лазерных гиперболоидов, высокоэффективных средств наведения, новых технологий и многое другое. Способность страны разрабатывать и развивать лазерные технологии говорила о ее величии и могуществе не меньше, чем обладание ядерным оружием и космосом. Начиная с 1961 года лазеры разных типов занимают прочное место в оптических лабораториях. Появление первых оптических гироскопов было предопределено. Эта статья представляет краткую историю развития лазерной гироскопии. В ней рассматриваются предпосылки и условия, в которых происходило зарождение лазерной гироскопии, формировались многочисленные концепции их оптико-физических схем, возникающие при этом проблемы, пути и средства их решения.
Истоки лазерной гироскопии
Предпосылкой к созданию лазерного гироскопа послужили исследования в области оптики движущихся тел, рассматривающей физические явления в тех случаях, когда имеется движение среды, в которой распространяется световая волна. Практически все эффекты, составляющие основу оптики движущихся тел, были открыты при проведении исследований, направленных на изучение свойств «эфира» – некой среды, ответственной, по мнению большинства ученых в конце XIX века, за распространение света. Результаты опытов, направленных на изучение свойств «эфира», в значительной степени определили создание А.Эйнштейном специальной теории относительности, изложенной им в 1905 году в работе «К электродинамике движущихся тел» [2].
Одним из опытов по изучению свойств эфира явился эксперимент, поставленный в 1913 году французским физиком Жоржем Саньяком. При исследованиях по обнаружению увлечения эфира вращающейся установкой, он открыл «вихревой оптический эффект», позволяющий оптическими методами измерять скорость вращения объекта относительно инерциальной системы отсчета [3]. В эксперименте Саньяка была установлена взаимосвязь между величиной смещения интерференционной картины, образованной на выходе интерферометра с замкнутым оптическим контуром (кольцевого интерферометра) встречно распространяющимися световыми лучами, и его угловой скоростью. Позднее эксперименты А. Майкельсона и Х. Гейля продемонстрировали возможность измерения скорости вращения Земли с использованием кольцевого интерферометра с периметром 1,9 км. В области навигации перед гироскопом, не имеющим механических деталей, открывались широкие перспективы. Тем не менее, эффект Саньяка долгое время оставался невостребованным, в первую очередь из-за низкой чувствительности. В его опыте интерферометр вращался со скоростью 2,3 об/с. При площади интерферометра 866 см2 смещение интерференционной картины составило всего лишь 0,04 полосы. Поэтому в течение многих десятилетий оптический гироскоп не был востребован.
Ситуация кардинальным образом изменилась с началом развития квантовой электроники и созданием первых лазеров. Основополагающим открытием в развитии квантовой электроники явилось предсказание в 1916 году А. Эйнштейном явления вынужденного излучения. Впервые индуцированное излучение было получено в 1950 году американскими физиками Е. Парселлом и Р. Паундом в экспериментах по созданию инверсии населенностей ядерных спиновых систем. В 1953–1954 годы Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и, независимо от них, Ч. Таунс (США) получили генерацию в сантиметровом диапазоне на молекулах аммиака. Так был создан первый квантовый генератор – мазер (maser – microwave amplification by stimulated emission of radiation). В 1955 году Басов и Прохоров предложили трехуровневый метод получения инверсной населенности молекулярных уровней. Действующие трехуровневые твердотельные квантовые усилители были созданы в 1957–1958 годы в США и СССР. За полученные результаты Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч.Таунс были удостоены в 1964 году Нобелевской премии в области физики.
Дальнейшее развитие квантовой электроники было направлено на переход в оптический диапазон. В 1958 году А.М. Прохоровым и Р. Дике (США) была выдвинута идея открытого резонатора, который явился важным фактором создания твердотельных и газовых оптических квантовых генераторов – лазеров (laser – light amplification by stimulated emission of radiation). Первый лазер был создан Т. Мейманом (США) в 1960 году с использованием открытого резонатора и кристалла искусственного рубина в качестве рабочего тела (длина волны излучения составляла 0,7 мкм). Через полгода А. Джаваном, В. Беннетом и Д. Эрриотом (США) был сконструирован первый газовый лазер на смеси гелия и неона.
Тогда, в годы зарождения квантово-оптической техники, научный мир постоянно будоражили многочисленные эффекты, открытия и гипотезы. Потоки информации об освоении все новых и новых усиливающих сред и длин волн рождали смелые прогнозы создания сверхмощных «гиперболоидов», голографического телевидения и т.д. и т.п.
Неудивительно, что на этом фоне для многих осталось незамеченным сообщение о возможности создания на основе лазеров принципиально новых измерительных приборов – лазерных гироскопов, сделанное в конце 1962 года будущим лауреатом Нобелевской премии А.М. Прохоровым в Физическом институте АН СССР. Но группа молодых инженеров НИИ Прикладной физики (В. Курятов, Е. Наседкин, Г. Кошкин) со всей серьезностью отнеслась к идее создания таких приборов. К этому следует добавить, что еще за 10 лет до появления первых лазеров в Советском Союзе И.Л. Берштейном были проведены экспериментальные исследования эффекта Саньяка в радиодиапазоне по схеме, которая по существу соответствует современной архитектуре построения волоконно-оптических гироскопов [4]. Однако предпосылок для перенесения этих исследований в оптический диапазон тогда еще не существовало. Тем не менее приоритет И.Л.Берштейна, предвосхитившего концепцию построения волоконно-оптического гироскопа, признают в России и в СШA.
В 1962 году А. Розенталь (США) предложил [5], а В. Мацек и Д. Девис (США) реализовали первый He-Ne лазер с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого началось развитие лазерной гироскопии (рис.1) [6]. В качестве рабочей среды была использована смесь He-Ne, которой заполнялись четыре газоразрядных трубки. Вместе с отражающими зеркалами эта конструкция представляла собой замкнутый резонатор прямоугольной формы со стороной около 1 м. Рабочая частота резонатора выбиралась из соображений получения максимального коэффициента усиления, который достигался на длине волны 1152,3 нм. Лабораторным макетом была продемонстрирована возможность измерения угловых перемещений относительно инерциального пространства с достаточно высокой чувствительностью.
Следует отметить, что в начале 60-х годов лазерная гироскопия завоевывала свое признание в условиях сложившейся за многие десятилетия разветвленной индустрии производства механических («железных») гироскопов. Они вполне соответствовали царившей в то время идеологии платформенных инерциальных систем. Имелась развитая теория, необходимая производственная база и, что особенно важно, проверенные временем традиции, опирающиеся на непререкаемые авторитеты. Поэтому робкие попытки энтузиастов развить исследования в области лазерной гироскопии, как правило, не имели успеха, а в ряде министерств и не начинались.
Больше «повезло» лазерной гироскопии на предприятиях, где не было давящего авторитета традиционных гироскопистов, но была оптическая и электровакуумная производственная база. Поэтому наиболее эффективно разработка ЛГ началась в НИИ Прикладной физики (научный руководитель НИИ ПФ Курбатов Л.Н.), а наибольший размах получила в дальнейшем в НИИ «Полюс» (генеральный директор М.Ф. Стельмах), где было организовано серийное производство ЛГ.
В середине 1963 года первый в СССР макет ЛГ был собран и (как маятник Фуко) подвешен к потолку комнаты для создания угловых перемещений (частотной подставки) и развязки от фундамента здания, испытывающего сейсмические воздействия. Несмотря на ряд технологических ограничений и неудобств (ограниченный срок службы газоразрядных трубок, невидимый для глаза инфракрасный диапазон излучения, полупроводниковый приемник излучения из экзотических материалов индий-сурьма, требующий регулярного охлаждения жидким азотом и заставляющий пребывать в постоянном напряжении из-за хрупкости конструкции, использование небезопасных для здоровья мощных 300-Вт высокочастотных генераторов накачки и т.д.), макет успешно функционировал! На нем был обнаружен целый ряд интересных особенностей и эффектов, приведших к появлению новой технической терминологии: «захват», однонаправленная генерация, «подставка», дифракционная невзаимность, квантовые шумы и т.д. [7].
Через полгода, на следующем макете, работающем в видимом диапазоне спектра, уже можно было обнаружить вращение Земли, детально изучить синхронизацию встречных волн, почувствовать влияние магнитного поля, опробовать различные способы линеаризации выходной характеристики ЛГ (механическое вращение, эффекты Фарадея, Физо, Зеемана и др.).
В 1965 году была защищена первая в СССР прикладная кандидатская диссертация по ЛГ (В.Н. Курятов), главные положения которой не потеряли актуальности до настоящего времени. Дальнейшее развитие работы в области лазерной гироскопии получили в ряде организаций Москвы и Киева. В НИИ «Полюс» работы шли по двум направлениям. Одно, под руководством В.Н. Курятова, развивало создание моноблочного ЛГ на призмах полного внутреннего отражения (ППВО), второе под руководством Б.В. Рыбакова – создание ЛГ на эффекте Зеемана. В НПО «Астрофизика» под руководством В.А. Зборовского прорабатывались моноблочные ЛГ на зеркалах с фарадеевским невзаимным элементом, ставшие прообразом приборов, серийно производимых на киевском заводе «Арсенал» под руководством В.И. Бузанова.
Не секрет, что наиболее значительные научные и практические результаты в области лазерной и волоконно-оптической гироскопии были получены в недрах военно-промышленных комплексов ведущих государств. Детальная информация о технологических процессах, испытаниях и практических применениях ЛГ была и во многом остается до настоящего времени закрытой. Этот процесс усугублялся наличием «железного занавеса», разделявшего страны НАТО и участников Варшавского пакта. В этих условиях международное сотрудничество и научно-техническая кооперация исследователей и разработчиков ЛГ практически исключалась. Поэтому, несмотря на большое количество открытых публикаций, посвященных прежде всего вопросам теории оптических гироскопов, многие принципиальные детали, связанные с промышленной разработкой и освоением новых технологий, оказались закрытыми, и период от демонстрации первых лабораторных макетов до выпуска серийной продукции оказался достаточно продолжительным.
Вместе с тем, история развития одной из ведущих мировых фирм в области лазерной гироскопии ‒ Honeywell убедительно свидетельствует о том, что серьезный коммерческий успех может быть достигнут через эффективное освоение военного и гражданского рынков или, другими словами, через общие технологические процессы двойного применения. Одновременная разработка и внедрение большого числа приборов и систем обеспечивают резкое снижение их стоимости, что, в свою очередь, ведет к расширению рынка сбыта. Это может быть проиллюстрировано результатами деятельности фирмы Honeywell в период с 1965 по 1994 годы (рис.2) [8].
Как следует из рис.2, первый этап исследований и разработок, занявший значительный период с 1965 по 1979 годы, мог быть выполнен только при государственном финансировании, которое, очевидно, продолжалось до первых поставок лазерного навигационного оборудования на самолеты Boeing 757/767. Полученные результаты позволили затем в течение сравнительно короткого интервала времени разработать серию новых ЛГ с последовательно улучшаемыми массогабаритными характеристиками и увеличить количество единиц выпускаемой продукции при одновременном снижении ее стоимости. К началу 1992 года соотношение гражданской продукции к военной составило более 10:1 при снижении единичной стоимости с 1981 по 1992 годы в 6,5 раз.
Несколько иначе выглядит история развития лазерной гироскопии в бывшем Советском Союзе на одном из ведущих предприятий – ЦКБ и заводе «Арсенал» (рис.3).
Здесь разработка опытных образцов и выпуск серийной продукции осуществлялись на всех этапах при систематическом государственном финансировании заказов, которое почти не предусматривало разработки образцов техники гражданского применения. Плановый характер производства и жесткий контроль были направлены на сокращение необходимых сроков исследований и разработок, улучшение тактико-технических характеристик изделий, как это следует из рис.3.
Первые образцы лазерных гироскопов
Вскоре после первой демонстрации лазерного гироскопа началась разработка его полупромышленных образцов. Одну из первых моделей продемонстрировала компания Lockheed Martin уже в середине 60-х годов. Фотография и конструкция предложенного устройства показаны на рис.4 [9].
ЛГ был построен по модульной схеме и включал в себя He-Ne лазер с длиной волны 1152,3 нм, треугольный контур со сторонами 7,62 мм, образованный призмами полного внутреннего отражения, фарадеевскую ячейку для искусственного создания невзаимности и пьезоэлектрический привод на одной из призм для контроля и управления периметром. Резонатор был выполнен из алюминия и дополнительно оснащен датчиком температуры и набором обогревателей. Они поддерживали постоянную температуру 65˚C, обеспечивая тем самым постоянство геометрических размеров резонатора. Конструкция в сборе помещалась в корпус, снабженный термо- и магнитным экранами для сохранения стабильных условий эксплуатации. Так выглядел представленный впервые образец лазерного гироскопа, в котором отсутствовал вращающийся ротор.
По своим характеристикам ЛГ оказался наиболее пригодным для использования в бесплатформенных инерциальных системах (БИНС), развитие которых началось бурными темпами, чему в немалой степени содействовало появление быстродействующей вычислительной техники. Заманчивой представлялась установка в корпус триады датчиков для создания инерциальных измерительных модулей. Несмотря на ряд недостатков (срок службы трубки менее 1000 ч, большое время готовности, высокое энергопотребление) разработанные гироскопы пользовались спросом. В частности, их испытаниями занимались в NASA, а также в лабораториях морских и военно-воздушных сил США.
Примерно в те же годы лазерным гироскопом заинтересовались и в Европе. В 1967 году в г. Фарнборо, Великобритания, состоялась первая демонстрация возможностей лазерного гироскопа. Датчик, сконструированный по заказу министерства обороны Соединенного Королевства, показал себя во всей красе, но почему-то он не заинтересовал правительство. В результате разработки систем на ЛГ в Великобритании возобновились только спустя 10 лет [10].
В это время в СССР наиболее интенсивно разработкой ЛГ занимались сотрудники НИИ «Полюс». Одной из первых проблем, с которыми столкнулись разработчики, было отсутствие высококачественных оптических зеркал. В связи с этим было решено использовать призмы полного внутреннего отражения, которые к тому времени имели потери менее 0,01%, что обеспечивало величину области захвата порядка 100 Гц. Проведенные исследования позволили уже к 1969 году достигнуть моноблочным призменным ЛГ рекордную по тем временам точность измерения абсолютной угловой скорости вращения Земли 8·10-4 град/час, а через несколько лет разработать прецизионный морской навигационный комплекс с использованием этих ЛГ. Первый образец ЛГ с призмами полного внутреннего отражения, разработанный в НИИ «Полюс» Курятовым В.Н., показан на рис.5.
Линеаризация выходной характеристики ЛГ
Следует отметить, что с первых шагов развития лазерной гироскопии встал вопрос о способах борьбы с зоной захвата или взаимной синхронизацией встречных волн. Согласно общепринятой модели ЛГ он состоит из двух квазиавтономных генераторов, возбуждающих встречно-бегущие волны, на пути которых в резонаторе неизбежно возникают неоднородности, рассеивающие встречные пучки. Рассеянное излучение создает связь между этими генераторами и играет роль синхронизатора, стремящегося к сближению частот встречных волн. Этот эффект наиболее сильно проявляется в области малых угловых скоростей, где связь генераторов приводит к их синхронизации. В результате встречно-бегущие волны приобретают одинаковую частоту, при которой разностная частота становится равной нулю. Типичная выходная характеристика ЛГ приведена на рис.6 [11].
Здесь отчетливо наблюдается зона нечувствительности и области нелинейности. Таким образом, борьба с зоной захвата преследует, прежде всего, цель линеаризации выходной характеристики.
Были предложены и опробованы несколько вариантов решения проблемы:
Вращение ЛГ с постоянной угловой скоростью.
Использование вводимых в резонатор невзаимных фазосдвигающих устройств (НФУ), основанных на эффектах Физо, Фарадея и др.
Применение вибрационного углового движения, которое получило название виброподставки.
Использование зеемановского расщепления частот встречных волн в магнитном поле.
Многочастотные режимы работы.
ЛГ с естественными невзаимными фазосдвигающими элементами (НФЭ) [12].
На первых этапах развития ЛГ проблема линеаризации решалась в основном посредством введения искусственного «начального» расщепления частот встречных волн. С этой точки зрения наиболее перспективным представлялось использование невзаимных фазосдвигающих устройств.
Одна из возможных схем НФУ – устройства для начального разноса частот, которое иногда называют ячейкой Фарадея, изображена на рис.7 [13]. Здесь четвертьволновые пластинки 1 и 3, размещаемые на торцах магнитооптической среды 2, играют роль трансформаторов поляризации, превращая линейно поляризованное колебание вне магнитооптической среды в колебание, поляризованное циркулярно внутри нее. Для световой волны, бегущей слева направо, как показано на рис.7, пластинка 1 является входной, превращающей линейно поляризованное колебание E в циркулярное, вращающееся, например, по часовой стрелке. Внешнее магнитное поле H, создаваемое с помощью соленоида или постоянного магнита, вызывает изменение показателя преломления n1,2 изотропной среды 2, как было показано выше, что приводит к дополнительному приращению фазы Δϕ. Пройдя путь длиной l, световая волна круговой поляризации проходит через преобразователь поляризации 3, восстанавливая исходную линейную поляризацию E. Аналогичным преобразованиям подвергается встречно бегущая волна. Отличие состоит в том, что для нее входным трансформатором является преобразователь 3, после которого линейная поляризация трансформируется в круговую, но с вращением против часовой стрелки. В результате встречная волна на выходе НФУ приобретает противоположный по знаку фазовый сдвиг (в рассматриваемом случае отрицательный −Δϕ) и на выходе сохраняет исходную линейную поляризацию. Внешний вид классической фарадеевской ячейки приведен на рис.8.
Очевидно, что применение НФУ, основанного на эффекте Фарадея, повышает магниточувствительность ЛГ. Для ее снижения применяются дифференциальные НФУ (рис.9) [14]. Устройство состоит из двух магнитооптических секций 3, разделенных полуволновой пластиной 2, кристаллографические оси которой ориентированы произвольно. Ориентация кристаллографических осей трансформаторов поляризации 1 ортогональная. Полуволновая пластина играет роль внутреннего трансформатора поляризации, превращающая левоциркулярную поляризацию в одной из секций НФУ в правоциркулярную в другой. Четвертьволновые пластинки 1 играют роль трансформаторов линейно поляризованных колебаний в циркулярные и обратно.
Как правило, нестабильность дрейфа ЛГ с НФУ оказывалась в лучшем случае на уровне 0,1 град/ч. Причинами такой нестабильности дрейфа являлась чувствительность НФУ к изменению температуры, нестабильность магнитного поля, неточность преобразования поляризации фазовыми пластинками и ряд других эффектов. Поэтому чаще всего для уменьшения влияния связи встречных волн на работу ЛГ стали использовать метод вибрационного углового движения, который получил название виброподставки.
При использовании виброподставки ЛГ приобретает знакопеременное начальное смещение. В результате рабочая точка находится в зоне захвата в течение очень малых промежутков времени. Такой метод стал наиболее популярным. Конструкция механического виброподвеса активно развивалась, предлагались различные методы для устранения «полочек» в выходной характеристике, свойственных ЛГ с виброподставкой, и многие другие инновации. Одним из высокоточных вариантов знакопеременного механического начального смещения стала система с «карусельным» приводом, когда гироскоп совершает несколько оборотов в одну сторону, после чего практически мгновенно (менее чем за 0,1 с) останавливается и повторяет свое движение в противоположном направлении.
Несмотря на очевидные достоинства виброподставки как способа линеаризации выходной характеристики ЛГ, многолетний опыт работы позволил выявить и ряд серьезных недостатков:
значительные тангенциальные ускорения элементов конструкции ЛГ, приближающиеся к 30 g;
возбуждение сопутствующих механических колебаний;
значительный уровень случайного дрейфа, не позволяющий приблизиться к потенциальной точности ЛГ;
увеличение массогабаритных характеристик.
Кроме того, внедрение элемента, создающего подобный «механический озноб», в конструкцию ЛГ отбрасывает нас обратно в эпоху «железных» гироскопов, лишая оптические гироскопы их основного преимущества – твердотельности.

Полное содержание статьи: http://www.photonics.su/files/article_pdf/4/article_4049_770.pdf