Лазерный мир

М. Е. Грушин, Ю. Ю. Колбас, А. А. Медведев // Журнал Фотоника, 2, 2020, стр: 150-157

В настоящей работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований работы модернизированной системы регулировки периметра резонатора зеемановского лазерного гироскопа (ЗЛГ) при заполнении 50% смесью изотопов неона Ne20 и Ne22. При поддержании постоянства периметра ЗЛГ по минимуму сигнала расстройки периметра (в отличие от одноизотопного неона) зависимость амплитуды частотной подставки от расстройки периметра оказывается несимметричной при увеличении и уменьшении периметра. Это приводит к дополнительной вибрационной ошибке такого ЗЛГ при механических ударах и вибрации. Предложен метод подстройки периметра ЗЛГ в точку минимальной амплитуды частотной подставки, обеспечивающий отсутствие статической расстройки периметра. Приведены экспериментальные результаты и расчетные оценки динамических дрейфов нуля и вибрационных ошибок двухизотопного ЗЛГ типа К-5.

ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных факторов, влияющих на точность зеемановского лазерного гироскопа (ЗЛГ) является вибрационная ошибка, возникающая из-за перемещения зеркал резонатора под воздействием виброускорения [1]. Ее величина достигает сотен угловых градусов в час на частотах вибрации кратных и полукратных частоте коммутации частотной подставки. Причина вызвана модуляцией амплитуды частотной подставки из-за вибрационных изменений периметра резонатора, которые система регулировки периметра (СРП) ЗЛГ не способна парировать.

Было обнаружено, что использование в рабочем газе 50% смеси изотопов неон 20 и неон 22 вместо одного изотопа неона, позволяет в 5 раз уменьшить вибрационную ошибку – до десятков градусов в час [2]. Хотя изначально ожидали более значимого снижения погрешности ЗЛГ. Это предположение строилось на уширении контура усиления рабочего газа и снижении максимума усиления. В работе [2] была указана причина этого явления – при стандартном построении СРП ЗЛГ минимумы двух функциональных зависимостей (модуляции сигнала регулировки периметра и амплитуды частотной подставки) от расстройки периметра не совпадают друг с другом. В результате чувствительность величины амплитуды частотной подставки к изменению периметра резонатора ЗЛГ резко возрастает.

В статье рассмотрен электронный метод снижения влияния этого эффекта, и обсуждены полученные расчетные и экспериментальные результаты.

МОДЕРНИЗИРОВАННОЕ СРП ДЛЯ ДВУХИЗОТОПНОГО ЗЛГ

Для поддержания постоянной настройки резонатора на одну продольную моду генерации в конструкции ЗЛГ используется система регулировки периметра (СРП). Ее работа основана на использовании модуляции интенсивности лучей при наложении на активную среду ЗЛГ продольного знакопеременного магнитного поля. Это поле создает знакопеременный ток блока частотной подставки (БЧП), возникающий в катушках, намотанных на газоразрядные промежутки [3–6].

На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости амплитуды сигнала на фотоприемнике и частотной подставки от относительной расстройки периметра резонатора ЗЛГ Δλп двухизотопного ЗЛГ К 5 (АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»), полученные при двух значениях амплитуды токов частотной подставки, величиной 0,5А (рис. 1а) и 0,9А (рис. 1b).

При малых значениях относительной расстройки периметра резонатора Δλп для амплитуды сигнала Апер на фотоприемнике СРП и частотной подставки f можно использовать формулы из [1]:
Апер = KA ∙ | Δλп |; f = f0 ∙ [ 1 + χ ∙ ( Δλп – Δλ0 ) 2 ], (1)
где f0 – амплитуда частотной подставки при Δλп – Δλ0 = 0 –=0. В формуле (1) использованы константы χ и KA, которые зависят от амплитуды частотной подставки, усиления активной среды, уровня потерь в резонаторе, чувствительности фотоприемника СРП. Линии, соединяющие расчетные значения, показаны на рис. 1. Расстояние по оси абсцисс между положениями минимумов частотной подставки и сигнала на фотоприемнике СРП (Δλ0 ≈ –0,023 ÷ –0,03) зависит от соотношения в смеси изотопов неона Ne20 и Ne22.

Можно избежать статической расстройки периметра, если использовать в ЗЛГ разработанную систему СРП (рис. 2). После включения СРП по сигналу, поступающему с фотоприемника, СРП настраивается в точку А (см. рис. 1а, b). При этом сигнал ЦАП равен нулю, и переменный сигнал от фотоприемника СРП также равен нулю. Измеряется частота fА выходных sin- и cos-сигналов, а с помощью АЦП измеряется напряжение UA на зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями.

Затем процессором на выходе ЦАП выставляется сигнал, равный сигналу от фотоприемника СРП при расстройке периметра на ΔλВ ≈ +0,05 (точка В на рис. 1а, b) амплитудой Aпер В. Измеряется частота fВ выходных sin- и cos-сигналов и напряжение UB на зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями.

Следующим шагом на выходе ЦАП процессором выставляется сигнал, равный сигналу от фотоприемника СРП амплитудой Aпер В, но с обратной фазой при расстройке периметра близкой к –ΔλВ (точка С на рис. 1а, b). Снова определяется частота fС выходных sin- и cos-сигналов и напряжение UС на зеркалах с пьезоэлектрическими двигателями.
Зная Δλв, fA, fB, fC, можно определить коэффициент χ, статическую расстройку Δλ0 и соответствующее ему Aпер0:
Апер0 = KA ∙ | Δλ0 |.
На выходе ЦАП выставляется сигнал, равный Aпер0, и аналоговая система СРП настроит периметр в точку, соответствующую минимуму частоты выходных sin- и cos-сигналов и полностью скомпенсирует статическую расстройку периметра.

ВИБРАЦИОННЫЕ ОШИБКИ В ДВУХИЗОТОПНОМ ЗЛГ

Ранее при исследовании влияния давления на эффект Зеемана в кольцевом газовом лазере [5] было получено выражение для вибрационной ошибки лазерного гироскопа ΔΩВ:
(2)
где Т – период коммутации тока БЧП, ΔL – амплитуда вибрации, ν – частота вибрации, f0 – амплитуда частотной подставки при ΔL = 0, χ – константа, описанная выше, ϕ0 – разность фаз между механической вибрацией и знакопеременным током БЧП.

Вибрационная ошибка складывается из двух слагаемых (2). Первое из них не зависит от статической расстройки Δλ0 и достигает своего максимума на частотах, полукратных частоте коммутации тока БЧП, т. е. 1 / 2 Т. Второе слагаемое (2) имеет максимумы на нечетных частотах коммутации тока БЧП, т. е. 1 / Т, и зависит от статической расстройки Δλ0.

Экспериментально были изучены зависимости дрейфа нуля Ω (для двухизотопного ЗЛГ типа К 5) от частоты вибрации при амплитуде вибрационного ускорения 10g со стандартной конструкцией СРП и модифицированной конструкцией СРП. Анализ результатов, полученных при двух значениях амплитуды тока БЧП (рис. 3), показал присутствие пиков при значениях νТ, равных 0,5; 1; 1,5; 2,5; 3; 3,5; 5. Значения амплитуд пиков дрейфа нуля ΔΩВ приведены в таблице.

Полученные результаты соответствуют рассчитанным по формуле (5) значениям с учетом того, что из-за несовпадения фаз тока частотной подставки и вибрационных колебаний (ϕ0 ≠ 0), экспериментальный вибрационный дрейф оказывается меньше максимального значения расчетного дрейфа. Использование модифицированной СРП не привело к уменьшению вибрационного дрейфа на полукратных частотах вибрации. Вибрационный дрейф уменьшился в 4 раза на первой кратной частоте и в 6–10 раз на других кратных частотах.

Неполная компенсация вибрационного дрейфа при применении модифицированной СРП, по-видимому, связана с механизмом возникновения дополнительной статической расстройки. Эту дополнительную статическую расстройку вносит сама СРП при возникновении вибраций на частотах, кратных частоте коммутации тока БЧП. Вероятно, появление сигнала с фотоприемника СРП воспринимается как сигнал расстройки периметра [4]. В пользу этого предположения говорит повышение эффективности модифицированной СРП на частотах вибрации выше первой кратной частоты, поскольку, согласно [4], возникающая на них статическая расстройка меньше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная модификация СРП для зеемановского лазерного гироскопа с 50% смесью изотопов неона позволяет в несколько раз уменьшить вибрационный дрейф на частотах, кратных частоте коммутации подставки. Остаточный вибрационный дрейф вызван дополнительной расстройкой периметра из-за сигнала с фотоприемника СРП, вызванного колебаниями зеркал.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• Грушин М. Е., Колбас Ю. Ю. Вибрационная ошибка лазерных гироскопов. Вестник МГТУ им. Баумана, сер. Приборостроение. 2017; 4: 27–42. DOI: 10.18698/0236-3933-2017-4-27-42.
• Грушин М.Е., Колбас Ю. Ю., Горшков В. Н. Особенности работы системы регулировки периметра резонатора и вибрационная ошибка зеемановского лазерного гироскопа на 50% смеси изотопов неона. Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, сер. Приборостроение. 2018; 6: 75-86. DOI: 10.18698 / 0236-3933-2018-6-75-86.
• РФ № 2589756. Патент. Система регулировки периметра зеемановского лазерного гироскопа / Колбас Ю. Ю., Толстенко К. А.
• Голяев Ю. Д., Мельников А. В., Соловьев Ю. Н. и др. Влияние нелинейности характеристик активной среды на стабильность выходных сигналов в квантовых приборах с автоматической стабилизацией параметров. Электронная техника. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1991;1 (57):11.
• Савельев И. И., Хромых А. М., Якушев А. И. Влияние давления на эффект Зеемана в кольцевом газовом лазере. Квантовая электроника. 1979; 6: 1155–1163.
• Горшков В.Н., Ларионцев Е. Г., Медведев А. А. и др. Влияние соотношения изотопов Ne20 и Ne22 в активной смеси на чувствительность зеемановских лазерных гироскопов к внешним механическим воздействиям. 60-я научная конференция МФТИ (г. Долгопрудный, 2017 г.). 

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8211_314.pdf