Оптические гироскопы - часть 1

 

5

 
Введение

 

В 1962 г. А. Розенталь предложил, а В. Мацек и Д. Девис реализовали 

первый He-Ne лазер  с кольцевым резонатором (кольцевой лазер), с которого 
началось развитие лазерной гироскопии, так как сразу же привлекла внима-
ние возможность измерения с его помощью абсолютных угловых скоростей с 
высокой точностью. Первые попытки применения кольцевых лазеров в каче-
стве  лазерных  гироскопов  (ЛГ)  выявили  их  основной  недостаток – наличие 
зоны захвата частот встречных волн, не позволяющее измерять малые угло-
вые скорости. Усилия ряда коллективов, направленные на преодоление этого 
недостатка,  позволили  создать  приборы,  способные  конкурировать  с  тради-
ционными  механическими  гироскопами,  а  также  создать  новое  поколение 
инерциальных навигационных систем, которые сейчас широко применяются 
во всем мире.  

Примерно через десять лет после начала работ в области лазерной гиро-

скопии начались исследования и разработка волоконно-оптических гироско-
пов (ВОГ), принцип работы которых, как и ЛГ, основан на эффекте Саньяка. 
Результатом  таких  исследований  явился  чрезвычайно  быстрый  прогресс 
ВОГ. Если в конце 80-ых наиболее точные ВОГ характеризовались дрейфом 
порядка 1град/час, то в конце 90-ых характеристики ВОГ вышли на уровень 
сотых и даже тысячных долей градуса в час. 

По сравнению с гироскопами других типов, прежде всего традиционными 

механическими, оптические гироскопы (ОГ) обладают рядом важных досто-
инств, среди которых нужно отметить следующие: 

•  большой динамический диапазон измеряемых скоростей; 

•  нечувствительность к ускорениям и перегрузкам; 
•  малое время готовности; 

•  малая потребляемая мощность; 

•  отсутствие перекрестных связей при построении трехосного блока 

чувствительных элементов; 

•  низкая стоимость при достаточно высокой точности; 

•  отсутствие вращающихся механических элементов и подшипников. 

 

Говоря  об  областях  применения  можно  отметить,  что  ОГ  охватывает 

все  большие  и  большие  направления  использования,  включающие  в  себя 
гражданскую и военную авиацию, космические аппараты, ракеты различных 
классов.  По  оценке  ученых  Дрейперовской  лаборатории,  являющейся  круп-
нейшим научно-исследовательским институтом США в области навигацион-
ной  техники,  ОГ  в  настоящее  время  являются  наиболее  широко  используе-
мыми типами гироскопов (рис. 1). 

 

6

 

Рис.1 

 

В ближайшие 15-20 лет ВОГ должен в значительной степени вытеснить 

с  рынка  чувствительных  элементов  навигационных  систем  средней  и  высо-
кой точности все остальные типы гироскопов, включая лазерные. 

 

Рис. 2 

 На рис. 2 представлен график, характеризующий сделанный этими учеными 
прогноз места ВОГ и ЛГ среди других типов гироскопов. 

 

7

 

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРОВ 

 

1.1. Взаимодействие электромагнитного поля с веществом 

В  основе  работы  лазера  лежат 3 фундаментальных  явления,  происхо-

дящих  при  взаимодействии  электромагнитных  волн  с  веществом:  процессы 
спонтанного и вынужденного излучения и вынужденного поглощения 
 

Будем считать, что вещество описывается разрешенными состояниями 

(уровнями),  в  которых  оно  может  находиться,  со  значениями  энергии 

n

E

, 

n=1,2,…, т.е. рассмотрим так называемую квантовую систему. Для простоты 
будем рассматривать двухуровневую квантовую систему. 
  

Спонтанное

  излучение.    В  отсутствие  внешнего  электромагнитного 

поля  существует  определенная  вероятность  самопроизвольного  перехода 
атома с более высокого уровня на более низкий.  

 Рис. 1.1 

Эта  вероятность  называется  вероятностью  спонтанного  перехода 

21

A

.  Ско-

рость изменения населенности уровня 2 составляет 

2

21

2

N

A

dt

dN

−

=

.   

 

 

        (1.1) 

При каждом переходе испускается квант с энергией 

1

2

E

E

−

=

ω

=

. Величину  

21

21

1

A

=

τ

    

 

 

 

    (1.2) 

называют  временем  жизни  уровня 2 по  отношению  к  спонтанному  излуче-

нию на уровень 1. 

Решение уравнения (1.1)  

1

2

а 

1 

2 

1

2

E

E

−

=

ω

=

а 

E

2 

E

1 

 

8

( )

(

)

2

0

2

2

/

exp

τ

t

N

t

N

−

=

    

 

 

       (1.3) 

показывает, что зависимость населенности верхнего уровня от времени соот-
ветствует экспоненциальному закону радиоактивного распада. Направления, 
в которых излучаются фотоны, равномерно распределены во всем простран-
стве, а моменты переходов случайно распределены по времени. Такое излу-
чение является полностью некогерентным. 
 

 

Индуцированное

  поглощение

.  Пусть  система  находится  на  нижнем 

энергетическом  уровне 1 и  на  нее  падает  излучение  с  частотой 

(

)

=

1

2

E

E

−

=

ω

, резонансное данному переходу.  

Рис. 1.2 

Тогда существует конечная вероятность 

12

B  поглощения падающего фотона, 

при этом система переходит на верхний уровень 2 (рис. 1.2). Скорость пере-
ходов определяется выражением 

( )

1

12

1

N

B

dt

dN

ω

ρ

−

=

. 

   (1.4) 

Вероятность  поглощения  фотона 

( )

ω

ρ

=

12

12

B

W

  пропорциональна 

плотности электромагнитного поля и коэффициенту поглощения 

12

B .  Урав-

нения  типа (1.4) называются  скоростными  уравнениями,  т.  е.  уравнениями 
для скоростей процессов.  
 

Индуцированное

  излучение.

  Пусть  квантовая  система  находится  на 

верхнем уровне и на нее воздействует резонансное внешнее электромагнит-
ное  поле  с  частотой 

ω.  Поскольку  энергия  падающего  фотона  совпадает  с 

энергией перехода, имеется конечная вероятность перехода системы с уровня 
2  на  уровень 1 с  излучением  дополнительного  фотона  с  энергией 

1

2

E

E

−

=

ω

=

 (рис. 1.3).  

в 

1

а 

E

2 

E

1