Лазерный гироскоп

ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП, 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 специального 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 собственным частотам резонатора. При вращении лазера вследствие зависимости времени обхода вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода возникает разность частот встречных волн (расщепление частот, смотри Саньяка опыт)

где Ω - угловая скорость вращения, S - площадь, охватываемая контуром резонатора, θ - угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура, Р - 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 специальных 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 лазерного гироскопа. Для уменьшения области захвата в лазерном гироскопе 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). Другой способ устранения зоны захвата - реализация лазерного гироскопа с неплоским лучевым контуром. В таких лазерных гироскопах 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.

Лазерные гироскопы обычно создаются на основе гелий-неоновых лазеров, имеющих высокую стабильность, малое обратное рассеяние в активной среде, высокую надёжность и компактность. Лазерный гироскоп имеет преимущества перед механическими гироскопами: малое время готовности после включения, практически неограниченный диапазон измеряемых скоростей, нечувствительность к большим линейным ускорениям, устойчивость к сильным механическим перегрузкам. Поэтому лазерные гироскопы постепенно вытеснили механические гироскопы практически во всех современных навигационных системах.

Лит.: Ароновиц Ф. Лазерные гироскопы // Применение лазеров. М., 1974; Бычков С. И., Лукьянов Д. П., Бакаляр А. И. Лазерный гироскоп. М., 1975; Азарова В. В., Голяев Ю. Д., Дмитриев В. Г. Кольцевые газовые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. 2000. Т. 30. № 2.