Оптические гироскопы - часть 20

 

81

i

i

n

l

c

Σ

π

ϕ

∆

=

ν

∆

 , 

где 

∆ϕ  −  сдвиг  по  фазе  между  волнами  с  лево-  и  правоциркулярной 

поляризациями; 

i

l   и 

i

n  

−  длина  и  показатель  преломления  i-го  участка 

кольцевого резонатора (рис. 2.38). 

Теперь в резонаторе ЛГ существует две встречнобегущие волны (ЛБ – 

левобегущая, ПБ – правобегущая) с левоциркулярной поляризацией (Л) и две 
встречнобегущие волны с правоциркулярной поляризацией (П). Волны с ле-
воциркулярной  и  правоциркулярной  поляризацией  разнесенны  по  частоте  с 

помощью  взаимного  элемента,  что 
соответствует появлению в исходном 
контуре как бы двух независимых ла-
зерных  субгироскопов,  собственные 
волны которых разделены по частоте 
и  состоянию  поляризации.  Встреч-
ные волны каждого из субгироскопов 
разнесены  по  частоте  с  помощью 
НФУ.  Работа  каждого  из  двух  выде-
ленных  субгироскопов  на  циркуляр-
ных  поляризациях  создает  благопри-

ятные условия для уменьшения связи встречных волн по сравнению с ЛГ на 
волнах с линейными поляризациями. 

Действительно,  при  обратном  рассеянии  циркулярно-поляризованной 

волны  от  зеркала  направление  вра-
щения электрического вектора меня-
ется на обратное и в идеальном слу-
чае  прямая  и  рассеянная  волны  не 
взаимодействуют.  
 

Однако  в  реальных  условиях 

встречные  волны  имеют  не  строго 
круговую,  а  эллиптическую  поляри-
зацию и в обратно рассеянной волне 
присутствует  составляющая,  совпа-

дающая  по  поляризации  с  прямой  волной.  Расщепление  частот  встречнобе-

Невзаимное

расщепление

Невзаимное

расщепление

ω

ω

0

Взаимное

расщепление

ПБ

П

ЛБ

Л ЛБ

ПБ

Кривая

усиления

П

Л

ω

 

   Рис.2.39  

ЛБ

ЛБ

Невзаимное рас-

щепление + 

Ω

ω

0

Невзаимное рас-

щепление – 

Ω

ω

Л

П

ПБ

ПБ

 

Рис.2.40  

 

82

гущих волн с помощью НФУ исключает остаточное влияние связи встречных 
волн в резонаторе ЛГ. При этом НФУ смещает частоты генерации встречных 
волн в противоположных направлениях (рис.2.39). В свою очередь невзаим-
ный фазовый сдвиг, вызванный вращением ЛГ, приводит к дополнительному 
разносу частот. Но при этом левобегущие волны сдвигаются по оси частот в 
одну сторону а правобегущие волны – в другую. В результате для левополя-
ризованного субгироскопа расщепление частот за счет вращения добавляется 
к  расщеплению  за  счет  НФУ,  а  для  правополяризованного  субгироскопа 
расщепление частот за счет вращения уменьшает расщепление за счет НФУ 
(рис.2.40). 

В  итоге  для  каждого  из  субгироскопов  с  ортогональными  круговыми 

поляризациями разность частот встречных волн составит:  
- для субгироскопа с левоциркулярной поляризацией 

Ω

+

ν

∆

=

ν

∆

K

F

Л

; 

- для субгироскопа с правоциркулярной поляризацией 

Ω

−

ν

∆

=

ν

∆

K

F

П

, 

где 

F

ν

∆

- расщепление частот за счет  НФУ, 

L

S

K

λ

=

4

 - масштабный коэффи-

циент ЛГ. 

Окончательно  находим  эффект,  пропорциональный  угловой  скорости 

вращения  ЛГ,  в  форме 

Ω

=

ν

∆

−

ν

∆

K

2

Л

П

,  что  свидетельствует  об  увеличе-

нии  вдвое  масштабного  коэффициента  и  независимости  выходного  сигнала 
ЛГ  от  вариаций  частоты  (например,  температурных),  вносимых  фарадеев-
ским НФУ.  

Недостатком рассмотренной схемы ЛГ является наличие в его резона-

торе  двух  анизотропных  элементов,  вносящих 
существенные дополнительные потери и тем са-
мым  уменьшающих  добротность  резонатора. 
Для исключения одного из этих элементов (вза-
имного  элемента)  была  предложена  концепция 
многочастотного  ЛГ  с  неплоским  резонатором 
(рис. 2.41). В неплоском резонаторе (также как в 
резонаторе с взаимным элементом на оптически 
активном кварце) собственными типами колеба-

 

 

Рис.2.41.  

 

83

ний являются разнесенные по частоте волны с круговой поляризацией. Рас-
щепление частот возникает за счет того, что лево- и правоциркулярные вол-
ны получают разные набеги фазы при отражении от зеркал в такой геометрии 
резонатора. В зависимости от угла излома контура 

α изменяется разнос час-

тот лево- и правоциркулярных волн. Изменение спектра собственных частот 
неплоского  резонатора  ЛГ  при  вариациях  угла 

α представлено на рис. 2.42. 

Таким образом, излом контура ЛГ оказывается эффективным средством од-
новременного достижения двух целей: 
- формирования условий для генерации циркулярно-поляризованных волн; 

- геометрически регулируемого разноса по частоте волн с левой и правой 
круговыми поляризациями без использования в резонаторе ячейки из оптиче-
ски активного кварца.  

Современные ZLG построены именно по такой схеме – неплоский ре-

зонатор с расположенным в нем НФУ. Следует отметить, что важным факто-
ром,  обеспечившим  высокую  точность ZLG, явилась  разработка  эффектив-
ных  просветляющих  покрытий,  обеспечивших  уменьшение  коэффициента 

отражения от поверхностей НФУ до величины менее 

4

10

−

.  

m

m + 1

m – 1

 

Рис.2.42.  

Современные ZLG обеспечивают следующие характеристики:  
•  разрешение (угловая цена периода выходного сигнала) – 0,75″; 
•  нестабильность дрейфа от включения к включению – 0,003 °/ч; 

 

84

•  случайный дрейф – < 0,0015 °/ ч ; 
•  относительная нестабильность масштабного коэффициента – 

7

10

2

−

⋅

. 

Существенным преимуществом ZLG перед ЛГ с виброподставкой являет-

ся  отсутствие  каких-либо  механических  устройств  и  соответствующее  сни-
жение случайного дрейфа за счет отсутствия многократного пересечения зо-
ны захвата и ошумления виброподставки. 

Концепция ЛГ с неплоским резонатором оказалась весьма плодотворной и 

привела  к  созданию  еще  одного  ряда  приборов  со  встречными  волнами  на 
круговых поляризациях. К ним относятся зеемановские лазерные гироскопы, 
в  которых  невзаимное  расщепление  встречных  волн  создается  с  помощью 
эффекта Зеемана. В таких ЛГ магнитное поле накладывается непосредствен-
но на активную среду, вызывая расщепление линии усиления активной среды 
в магнитном поле на две компоненты с ортогональными круговыми поляри-
зациями согласно соотношению 

/

2

з

H

g

β

=

ν

, 

где g - фактор Ланде, 

β - магнетон Бора,   - постоянная Планка. Расщепление 

линии  усиления  активной  среды  приводит  к  “затягиванию”  лево-  и  право-
циркулярных волн к центрам расщепленных линий усиления и как результат 
– к расщеплению частот встречных волн на величину 

D

c

З

/

)(

/

2

(

ν

∆

ν

∆

β

≈

ν

∆

h

H

g

), 

где 

c

ν

∆  и 

D

ν

∆

 - ширина линии резонатора и доплеровского контура линии 

усиления  соответственно.  Несмотря  на  некоторые  преимущества  зееманов-
ские  ЛГ  в  настоящее  время  характеризуются  несколько  худшими  точност-
ными характеристиками по сравнению с ZLG. 

Другим  вариантом  создания  невзаимного  расщепления  частот  встреч-

ных  волн  является  использование  вместо  фарадеевского  НФУ  магнитных 
зеркал  на  основе  невзаимного  экваториального  эффекта  Керра.  Максималь-
ный эффект достигается, когда вектор напряженности магнитного поля, при-
ложенного к зеркалу, перпендикулярен плоскости падения волн на зеркало, а 
сами волны линейно поляризованы в плоскости падения. Магнитное зеркало 
выполняется  в  форме  многослойного  диэлектрического  покрытия  с  тонкой 
пленкой  ферромагнитного  материала.  Использование  магнитных  зеркал  на 
основе  прозрачных  гранатов  наиболее  эффективно  в  области  больших  длин 
волн, например, в 1,15 мкм. В качестве примера укажем, что для ЛГ с пери-