Lasergyroskop

Lasergyroskop - en optisk anordning för mätning av vinkelhastighet , vanligtvis används i tröghetsnavigeringssystem . Lasergyroskop använder Sagnac-effekten - utseendet av en fasförskjutning av mötande ljusvågor i en roterande ringinterferometer . Till skillnad från ett mekaniskt gyroskop strävar denna enhet inte efter att behålla den initiala riktningen, utan mäter enhetens rotationsvinkel i resonatorkretsens plan. Genom att räkna antalet (eller fasen för små vinklar) och riktningen för antinoderna för en stående våg som passerar genom fotodetektorområdena, som är stationär i tröghetsreferensramen, kan man få värdet på den vinkel med vilken svängen görs, och genom att differentiera med avseende på tid kan man få vinkelhastigheten. Fördelarna med detta gyroskop är en digital utsignal, en kort beredskapstid och frånvaron av rörliga delar (i vissa fall).

Hur det fungerar

Själva enheten är en laser och består av ett aktivt medium och en resonator, under drift genereras strålning i två riktningar [1] . Driften av ett lasergyroskop är baserad på Sagnac-effekten , två strålar genereras i lasergyroskopets resonator och om enheten roterar genereras vågor med olika frekvenser i olika riktningar på grund av olika effektiva längder på resonatorn för olika riktningar av bypass (på grund av rotation). Frekvensskillnaden i gyroskopet orsakad av rotation kan beskrivas med formeln:

\Delta \nu ={4A\Omega \över L\lambda },

var är arean som täcks av strålen, är resonatorns omkrets, är gyroskopets vinkelhastighet, är våglängden [2] . $A$ $L$ $\Omega$ $\lambda$

Resonatorn i ett lasergyroskop kan vara ganska komplex, men vanligtvis är det en ringresonator med tre eller fyra speglar; resonatorn kan göras som en monoblockdesign eller bestå av separata element. Ofta är resonatorn gjord i form av en triangel eller kvadrat. Storleken på gyroskopet kan vara från några centimeter till flera meter.

I ett lasergyroskop skapas och underhålls en stående våg , och dess noder och antinoder är idealiskt associerade med en tröghetsreferensram . Således ändras inte positionen för vågens noder och antinoder i förhållande till tröghetsreferensramen, och när resonatorn (gyroskopkroppen) roteras i förhållande till den stående vågen, erhålls interferensfransar som rör sig längs dem på fotodetektorer. De mäter rotationsvinkeln och räknar antalet löpande interferensfransar.

Upplösningen hos ett lasergyroskop (LG) är ju mindre desto större resonatorarea som begränsas av laserstrålarna.

Mätning av vinkelhastighet

Under drift kommer två strålar ut från lasern och fortplantar sig i motsatta riktningar längs en sluten krets. Strålarna sammanförs, vilket resulterar i ett rörelseinterferensmönster (IR), vars rumsliga period vanligtvis är cirka 1 mm . Rörelseriktningen, eller tecknet på IR-fasökningen, bestäms av en fotodetektor med två områden, vars avstånd är lika med 1/4 av IR-perioden. Fasökningen på är proportionell mot LG-rotationsvinkeln och sträcker sig vanligtvis från 0,1–0,2'' för stora LG:er med en omkrets på cirka 4 m till 10–20'' för små omkretsar (cirka 4 cm ). Genom att räkna antalet IR-band eller deras fraktioner (från 1/2 till 1/8) som passerar genom fotodetektorn under ackumuleringstiden (från 1 ms till 1000 s ), är det möjligt att bestämma rotationsvinkeln för LG runt en axel vinkelrät mot strålbanan under ackumuleringstiden, och följaktligen den genomsnittliga vinkelhastigheten under denna tid. $2\pi$

Lasergyroskopfel

Under driften av gyroskopet uppstår fel vid bestämning av rotationsvinkeln. Fel beror på

nollsignaldrift;
ändra skalfaktorn;
närvaron av en fångstzon;
LG:s känslighet för ett externt magnetfält;
påverkan på avläsningarna av omgivningstemperaturen och hastigheten för dess förändring;
LG:s känslighet för accelerationer och vibrationer från basen.

De två första typerna av fel kan främst förklaras av påverkan av det aktiva mediet - förändringar i framåt- och bakåtspridning och brytningsindex, orsakade till exempel av inverkan av temperatur eller Fizeau-Fresnel- effekten .

Infångningszonen inträffar nära nollpunkten för utgångskarakteristiken och gör det omöjligt att registrera en signal vid låga vinkelhastigheter. Denna effekt orsakas av inverkan av backscattering. Vid låga vinkelhastigheter är skillnaden i strålningsfrekvenser i motsatta riktningar liten och de är synkroniserade, vilket gör det omöjligt att registrera signalen. För att övervinna denna effekt är det nödvändigt att göra frekvensskillnaden mellan de motriktade vågorna tillräckligt stor. För dessa ändamål kan du använda ett icke-ömsesidigt element, magneto-optiska eller mekaniska (vibrationsupphängning) frekvenspiedestaler.

Det externa magnetfältet påverkar genom den cirkulära komponenten i polariseringen av de motsatta strålarna och den magnetoptiska känsligheten hos de reflekterande elementen.

Temperaturen påverkas genom förändringen i brytningsindexen för de reflekterande elementen, förändringen i spridningen under temperaturjusteringen av resonatorn, och även genom förändringen i de inre mekaniska spänningarna i lasergyroskopkonstruktionen.

Accelerationer och vibrationer orsakar en förändring av de inre mekaniska spänningarna i lasergyroskopstrukturen, vilket leder till förändringar i optiska egenskaper och fel i elektroniska enheter.

Fånga zon

Huvudfunktionen hos ett lasergyroskop är närvaron av en fångstzon, vilket leder till okänslighet för rotation vid låga vinkelhastigheter. Därför är det nödvändigt att föra arbetspunkten till den linjära sektionen av utgångskarakteristiken. För dessa ändamål används en frekvensbias: mekanisk, på Zeeman- eller Faraday- effekterna .

Applikation

Den huvudsakliga tillämpningen av lasergyroskopet är navigering av rörliga föremål som flygplan eller missiler. För små enheter (som en mobiltelefon) används mindre och mindre exakta gyroskop.

Utöver navigering kan ett gyroskop användas för grundforskning eller för att mäta fluktuationer i jordskorpan (jordbävningar) [3] För dessa ändamål används stora gyroskop, med en omkrets på flera meter.

Världens mest exakta lasergyroskop med en omkrets på 16 m byggs vid Wettzell Geodetic Observatory vid Münchens tekniska universitet . Den är utformad för att fixera den subtilaste förändringen i projektionen av vinkelhastigheten för jordens rotation på lasergyroskopets ingångsaxel.

Det minsta KM-2 lasergyroskopet med en omkrets på 2 cm är designat för att mäta vinkelhastigheten hos en snabbt roterande rotor.

Se även

Anteckningar

↑ Broslavets Yu. Yu., Georgieva M. A. Lasergyroskop: laboratoriearbete nr 34 i kurserna: Kvantelektronik. Fysiska grunder för fotonik och nanofotonik. - M. : MIPT, 2018. - 36 sid.
↑ Aronovits F. Lasergyroskop // Tillämpningar av lasrar. - Moskva: Mir, 1974.
↑ Kislov K., Gravirov V. Rotationsseismologi: från beräkningar och resonemang till mätningar och förståelse // Science and Life . - 2021. - Nr 4 . - S. 70-80 .

Länkar

Tröghetsnavigering (inte tillgänglig länk) . Encyclopedia "Circumnavigation" . Hämtad 19 november 2011. Arkiverad från originalet 25 februari 2012. (obestämd)
Kvantgyroskop // Stora sovjetiska encyklopedin : [i 30 volymer] / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M . : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
Gyroskop i ett knappnålshuvud (otillgänglig länk) . 3D-nyheter. Datum för åtkomst: 19 november 2011. Arkiverad från originalet den 13 januari 2014. (obestämd)
Tyskarna mätte för första gången direkt svängningarna av jordens axel (otillgänglig länk) . Membrana.ru. Datum för åtkomst: 27 december 2011. Arkiverad från originalet den 7 januari 2012. (ryska)
RIKTNING FÖR HÖG PRECISION LASERGYROSKOPI (otillgänglig länk) . Forskningsinstitutet "Pole". Arkiverad 1 oktober 2020. (ryska)

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)