Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Удельный ток квадратичного фотоприемника, отнесенный к еди- нице площади фотокатода, является функцией средней интенсивности: гф.= 1,+ах~(!)св где 1, — темновой ток фотокатода; зд — спектральная чувствительИнтегрируя 24 в пределах площади фотокатода А, получаем сум- марный ток со всей площади фотокатода гфпе = ехАЕогЕ„соз ((юг — Фв) ! + (гр, + 1р,)].
абоч ю Рассматривая общий случай падения встречных излучен " ии иа лами тг и д, мож р у поверхность оптического смесителя под произвол ьными уг„можно установить следующую зависимость суммарного тока фотодиода: = вхАŠŠ— а(ш апб -ш м 0)/ где а — линейный размер рабочей плоскости оптического смесите- Анализ этой зависимости показывает, что незначительная непа- раллельность излучений приводит к уменьшению полезной состав- ляющей тока фотодиода. Действительно, при 221 = О, з(п тз ( 1, Ф1 = Фв и гр, = 1р, 1ем 1 и АЕ Е зп1 (о~1202/с) фпх — и 01 ОВ ашядя/о — — 0 с допустимый угол непараллельности составит около 1О".
Таким образом, чтобы получить максимальный сигнал разностной частоты, необходимо стремиться к нормальному сителя. падению интерферирующих излучений на плоскость оптического смеРасстояние между соседними интерферирующими максимумами можно определить, рассматривая структуру интерференционно" р ующейся при падении достаточно плоских фронтов в й кар- встречных изл ч р у ений на поверхность оптического смесителя с по- двух казателем преломления и.
Из ЛАВС (рис. 14.5, а) находим расстояние между двумя соседними максимумами Ло Л = — з!пд, (14.3) где 8 — отклонение угла при вершине призмы от 90'. Число максимумов, приходящихся на диаметр а рабочей поверх- ности смесителя, й/ „= а/Л. Расчетные значения периода интер 290 Рнс. )4.5. Интерференцяояная картина, образующаяся прн отраженны двух встречных волн от поверхности оптического смесителя лазерного гироскопа, (а) н распределение янтенсявностн света на выходе оптического смеснтеля (б): а: Фп Ф,Фе, Фо волновые фронты встречных получений; АВС треугольник, определяю щий ресстоявве между двумя соседними интерфереициоиными максимумами; 1. 1', 1"е ... ..., 2, 2', 2"...., а — углы падения еетречиых иелучеинй: б/ И диемств луча; Я вЂ” редиус диефрегмы; Гп — мексимельнея иятеиеяеяость постояи. ной составляющей е центре ивтерферевционной кончины; Г емплитудное онечевие ви.
а теисиености евгвеле ревностной частоты: 2 интеиоиеиость шумов ференционной картины, например для и = 1, 28 = 0,25; 0,5; 2' и Ло = = 0,63 мкм, составляют Л = 1,06; 0,63 и 0,13 мм соответственно, а ° 2Я. Таким образом, при наклонном падении встречных излучений на оптический смеситель образуется последовательность максимумов и минимумов интерференционной картины (рис. 14.5, б), которая перемещается по этой плоскости в зависимости от значения и направления входной информации — измеряемой угловой скорости Я (!). Чтобы зарегистрировать интерференционную картину, нужно иметь приемник излучения с разрешающей способностью, обеспечивающей регистрацию необходимого количества линий на единицу диаметра рабочей поверхности фотокатода.
Для определения направления движения интерфереиционных полос обычно применяют два фотодиода, световые апертуры которых сдвинуты на четверть периода полос относительно друг друга (Л/4). При одном фотодиоде используют фигурную диафрагму со специальной логической схемой распознавания знака. Однако такие устройства имеют существенный недостаток. В них направление перемещения может быть зафиксировано только тогда, когда интерференционная картина сместится не менее чем на Л/4, что приводит к значительным погрешностям измерения. Можно использовать устройство съема информации, уменьшающее эту погрешность до сотых долей интерференционного периода (6]. )О' 44А. Конструкция пазерного гироскопа В последние годы усилия разработчиков были направлены на создание жесткой, малогабаритной и монолитной конструкции кольцевого резонатора ЛГ.
В современных конструкциях ЛГ применяют как треугольные, четырехугольные, моноблочные, так н волоконно-оптические кольцевые резонаторы. Моноблочные резонаторы изготавливают из материалов, коэффициент линейного расширения которых мал: это инвар, плавленный кварц, ситалл и коистасил, что частично решает проблему стабилизации параметров (в частности, выходной характеристики). Это достигается также одномодовым режимом работы и автоматической стабилизацией мощности и частоты излучения кольцевого лазера.
Датчики угловых скоростей, устанавливаемые на летательных аппаратах, должны быть компактными с отношением массы к объему 1 кг/дм». Надежность такой конструкции должна гарантировать срок службы 5000...14 000 ч и срок хранения примерно 14 лет [6, 21).
В одной из последних конструкций одчостепенного ЛГ вместо отдельных трубок и зеркал используется заготовка из высококачественного плавленного кварца, в которой выточены отверстия и полости для генерационных каналов и имеются два анода, катод, а также отверстия для заполнения смесью газов (рис. 14.6). Во внутренней полости блока создается вакуум до 1,33 1О ~ Па, затем полость заполняется смесью изотопов Не' — Хе»», Хе»» в обьемном соотношении 10: 1 прн давлении 666,5 Па. Между катодом и анодами прикладываются напряжение порядка 1 кВ и импульс поджига около 1,5 кВ.
Основой ЛГ является моноблочный кольцевой резонатор, для поддержания устойчивости работы которого необходимо точно, в пределах 61. = а,! АТ соблюдать длину периметра. Поэтому, чтобы улучшить динамические характеристики системы, в целях устранения влияния механических и температурных колебаний длину периметра резонатора стабилизируют путем автоматической подстройки.
Кварцевый или ситалловый моноблок представляет собой призму, в основании которой лежит усеченный по углам квадратсо стороной, равной!Зсм (см. рис. 14.6). Высота моноблока не превышает 3,5 см. В моноблоке под прямым углом просверлены четыре канала диаметром 0,25 см н Рас. !4.6. Схема конструкции мояоблочяого ЛГ: » — кварцевый мовоблок: 2 — га»о»в». ряхнч» квн»лы: » — аноды; « — »лемент рвзн»«а «««тот; д — ре»ервувр д«» »аз»а»а (гелий-а«о»а»»ю актив«о« «Релю « — првзмеены« оптический «ме««тели 7 — выход«о» зеркало; «в э»тол«оды; у — яолодвмй катод; /»в гетер; ы — »еркв«ы 12 — отверст»я д«» креп«»в»» длиной до 10 см каждый.
Эти четыре отверстия образуют генерационный канал — квадратный световод с круглым сечением, который одновременно является и единой газораззпядной трубкой, наполненной смесью изотопов Не» и Ме»л, Хе» . В трех углах четырехгранника закреплены зеркала с диэлектрическими покрытиями для отражения встречных волн вынужденного излучения. В четвертом углу в целях устранения явления захвата установлен элемент. смещения частот специальной конструкции на основе магнитооптического эффекта Фарадея (см.
п. 10.4). Моноблок является также силовой деталью прибора, на нем крепятся все элементы конструкции: ячейка Фарадея; зеркала; оптический смеситель с фотодиодами; усилитель-формирователь; балансировочные резисторы схемы накачки; электроды поджига и накачки. Для устранения взаимного электрического влияния балаисировочные резисторы, электроды поджига и накачки устанавливаются на изолирующей плате, которая крепится к моноблоку. Аноды накачки в целях уменьшения разрушающего действия плазмы и загрязнения каналов изготавливают из химически чистого молибдена или никеля. Для их установки в моноблоке просверлены перпендикулярно к плоскости контура два отверстия диаметром 0,25 см с таким расчетом, чтобы аноды после сборки касались газоразрядной трубки.
Отрицательным электродом накачки служит холодный катод. Для его установки в моноблоке сверлится отверстие диаметром 1,2 см. Алюминиевые катоды соответствующих размеров дают возможность получать генерацию в течение 8000 ч в гелий-неоновом лазере в одномодовом режиме с длиной волны 0,6328 мкм при объеме газоразрядной трубки около 50 см'.
Эти катоды просты, прочны и для получения тока эмиссии 5 мА потребляют мощность около 0,5 Вт. Форма холодных катодов — полые цилиндры и колпачки, материал — химически чистые алюминий, бериллий, железо и малоуглеродистая сталь вакуумной плавки. Катоды вытачивают с использованием стерильного инструмента и дистиллированной воды. После обработки резанием их промывают в спирте, затем обжигают и обезгаживают в вакуумной печи. Обработка считается оконченной, если катод, будучи разогретым почти до температуры плавления, длительное время не газит, т. е. вакуум в системе поддерживается на уровне 10~...10 ~ Па.
Например, алюминиевые катоды прогревают до температуры 100'С. После термообработки образцы окисляют в кислороде. Окисление химически чистых поверхностей металлов в среде водорода, азота или окиси углерода приводит к увеличению работы выхода металла. В центре моноблока имеется цилиндрическая полость, сообщающаяся с генерационным каналом для создания резерва активной среды, в данном случае газов Не, Хе.
В втой полости размещается катод, разрядный ток которого служит для возбуждения газовой смеси. Генерационные каналы моноблока сходятся в точках пеьпесечения осей отверстий, высверленных в моноблоке под углом 90 таким образом, чтобы образовать впутри его замкнутый контур. На пересечениях каналов в углах призмы моноблока по способу «глубокого оптического контакта» прикреплены зеркала. 293 Зеркала пристыковываются к поверхностям моноблока за счет сил молекулярного сцепления.
Для этого контактные поверхности шлифуют и полируют до состояния шероховатости цз 0,025. Поверхность одного полупрозрачного зеркала сферическая; перемещая это зеркало, резонатор настраивают во время сборки прибора так, чтобы излучение, проходящее через него в оптический смеситель, попадало на фотодиоды.
Разработаны конструкции кольцевого резонатора на призмах (21. 23, 25!. В том и другом случаях важно, чтобы отражающие элементы имели наименьшее обратное рассеяние. Оптическая система смесителя, усилитель и фотодиоды в некоторых ЛГ объединены в один узел. Зеркала резонатора изготавливают способом многократного нанесения тонких пленок интерференционных слоев из диэлектрического материала на специальные кварцевые подложки (см. п. 5.3). Элемент смещения частот состоит из подложки и двух чдтвертьволновых пластин. Из плавленного кварца изготовлена цилиндрическая подложка толщиной 0,2 см и диаметром 0,8 см.
Параллельность граней подложки выполнена с точностью до 2". На противоположных гранях способом оптического контакта устанавливаклся четверть- волновые пластины из кристаллического кварца толщиной 72 мкм. Кристаллографические оси г' этих пластин направлены друг к другу под углом 90' ~ 2'. Сложность технологии и трудоемкость изготовления ячейки Фарадея объясняются малой толщиной пластин, точностью их взаимной ориентации и достаточно точной установкой всего оптического узла под углом Брюстера в вакуумной полости моноблока диаметром 8 мм так, чтобы крепление его было надежным и не нарушалось при движении плазмы и при механических нагрузках, возникающих при эксплуатации ЛГ. На работу элемента разноса частоты и, в конечном счете, иа точность измерения угловой скорости влияет наличие внешних магнитных полей, в частности магнитного поля Земли, которое может составлять около 15 % напряженности магнитного поля «подставки». Влияние внешних магнитных полей устраняется экранировкой всего узла ЛГ, что увеличивает удельный объем и усложняет конструкцию ЛГ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
