CC BY
73
УДК 535.44
И.А. Фролов
магистрант, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.В. Улюшкин
канд. техн. наук, старший преподаватель, кафедра «Авиационные приборы и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ РАССЕЯНИЯ ЛУЧА ЛАЗЕРА ПРИ ОТРАЖЕНИИ ОТ ЗЕРКАЛ ГИРОСКОПА
Аннотация. Рассмотрены дефекты, влияющие на рассеяние. Для их устранения имеется два пути: первый путь - исключение причин появления погрешностей или уменьшения их действия на точностные характеристики; второй путь - алгоритмическая компенсация приборных ошибок. Предлагается методика и средства измерения, предназначенные для определения суммарного значения потерь и пропускания зеркал гелий-неоновых кольцевых лазеров. Подчеркивается необходимость использовать средства измерения, состоящие из прибора определения суммарного значения потерь и пропускания зеркал, технологической оснастки и комплекта эталонной оптики.
Ключевые слова: дефекты, рассеяние, суммарные значения потерь, пропускания зеркал.
I.A. Frolov, Arzamas Polytechnic Institute of R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
A.V. Ulyushkin, Arzamas Polytechnic Institute of R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University
THE EECT OF SCATTERING OG A LASER BEAM UPON REFLECTION FROM THE MIRRORS OF THE
GYROSCOPE
Abstract. The article deals with the defects affecting scattering. There are two ways to eliminate them: the first way is exclusion of causes of errors and reduction of their effect on precision characteristics; the second way is algorithmic compensation of unit errors. The article describes the technique and measuring instruments for determining the total value of losses and amount beams which absorb helium-neon ring-laser mirrors. The necessity to employ measuring instruments consisting of the total value of losses and amount of absorption beams; tools and standard optics, set is stressed.
Keywords: defects, scattering, the total value of losses, the transmittance of mirrors.
Гироскоп - это прибор, способный чувствовать изменение углов ориентации объекта, на котором он зафиксирован, относительно инерциальной системы отсчета. Гироскопы классифицируют по двум признакам: по количеству степеней свободы (трехстепенные, двухстепенные); по принципу действия (оптические, механические, вибрационные, пьезоэлектрические, твердотельные волновые, МЭМС-гироскопы, камертонные, вибрационно роторные (в их числе динамически настраиваемые). Гироскопы применяются в виде элементов как в системах навигации (гирокомпас, авиагоризонт, ИНС и др.), так и в системах ориентации и стабилизации летательных аппаратов [1]. Постоянно возрастающие требования к эксплуатационным и точностным характеристикам гироприборов вынуждают ученых и инженеров не только усовершенствовать классические гироскопы, но и искать принципиально свежие идеи, предоставившие возможность решить проблему конструирования чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта. В последние годы все большую популярность обретают лазерные гироскопы, так как их точностные характеристики приблизились к классическому гироскопу, а по некоторым параметрам и превзошли.
Одной из основных проблем являются дефекты, влияющие на рассеяния. Для их устранения имеется два пути решения.
Первый путь - исключение причин появления погрешностей или уменьшение их действия на точностные характеристики, приводящие в результате к лучшему соответствию
реальной выходной характеристики прибора идеальной.
Второй путь - алгоритмическая компенсация погрешностей прибора при установленном характере воздействия многообразных факторов на его точностные характеристики.
Рисунок 1 - Схема энергетических потоков при отражении света
Луч света (лазерного излучения) попадает на поверхность зеркала (рисунок 1) с интенсивностью /0. Обширная часть падающего излучения отражается, так как дело происходит с высокоотражающими зеркалами. Интенсивность отраженного луча света составляет /К. Доля падающего луча, проходящего сквозь покрытие, имеет интенсивность/1. Некоторая часть этого луча поглощается в полости покрытия и переходит в энергию колебаний решетки или переизлучается в другом частотном диапазоне. Интенсивность этой части падающего луча /А. Часть интенсивности падающего луча рассеивается в разных направлениях, за исключением направления поверхности зеркального отражения, и составляет интенсивность рассеянного луча /5 [2].
Из закона сохранения энергии следует, что интенсивность падающего луча должна быть равна сумме интенсивностей лучей после отражения.
/0 = /К + /5 + /, + /А ■
Поделив почленно на /0 и используя обозначения:
К = /я//0 - энергетический коэффициент отражения; 5 = /5//0 - коэффициент интегрального рассеяния; Т = /¡//0 - коэффициент пропускания; К = /А//0 - коэффициент поглощения,
получаем закон сохранения энергии при отражении:
К + 5 + Т + А = 1.
Наравне с коэффициентом отражения используется коэффициент потерь
I = 5 + Т + А = 1 - К .
Главным источником, влияющим на рассеяния, являются дефекты диэлектрического покрытия. Допустим, дефект представляет собой некоторое образование, которое поглощает и рассеивает пучок света, и имеет размер 1 мкм. В луче лазера с радиусом 0,3 мм, с одинаковым распределением интенсивности этот дефект, занимающий долю площади луча, равен 3 • 10-6 м. Дефекты имеющие размеры 1 мкм встречаются часто. При количестве дефектов больше одного их совместное наличие в когерентном луче лазера приводит к появлению интерференционных эффектов и поле рассеяния делается неодинаковым, "крапчатым" - на
английском языке подобное поле называется speckle.
Любой, кто наблюдал пятно луча света лазерного излучателя, мог увидеть эту "крапчатость", изменяющуюся при каждом движении глаз наблюдателя. Отражающая поверхность зеркала не так сильно рассеивает, как поверхность экрана, на котором смотрят лазерный луч.
Speckle приводит к тому, что величина рассеяния назад, в моду, которая определяет захват, - практически связана статистически с величиной интегрального рассеяния. Интегральный коэффициент обратного рассеяния находит верхнюю границу возможных величин рассеяния назад, при своем измерении является величиной случайной [3].
Для измерения шероховатости подложки используется рассеяние. Определяя интегральный коэффициент рассеяния подложек можно, рассчитать значение среднеквадратического отклонения поверхности от средней линии профиля:
1
о = !.,.(R)1.
где So - коэффициент интегрального рассеяния; R - коэффициент отражения; р - плотность материала.
Рисунок 2 - Диаграммы, демонстрирующие принцип работы прибора: а - Напряжение на пьезозеркале; б - Мощность светового луча, возбуждающая резонатор: 1 - постоянная мощность;
2 - мощность, модулируемая АОМ; в - Сигнал на выходе резонатора: 1 - при постоянной мощности; 2 - при мощности, модулируемой АОМ
Предложены методика и средства измерения, предназначенные для определения суммарного значения потерь и пропускания зеркал гелий-неоновых кольцевых лазеров. Средства измерения состоят из прибора определения суммарного значения потерь и пропускания зеркал, технологической оснастки и комплекта эталонной оптики.
Суммарное значение потерь и пропускания зеркала определяется с помощью резонатора разностным методом. Метод основан на определении измерения времени затухания эталонного резонатора при введении в него тестируемого образца.
Оптический резонатор в себя включает два или три высокоотражающих зеркала. Световая волна зондирующего лазера возбуждает резонатор.
При постоянной мощности, поступающей на вход резонатора, сигнал имеет Лоренцеву форму (рисунок 2 - в - 1). В случае срабатывания оптического затвора (входное поле в этом случае спадает до нуля за несколько десятков наносекунд), поле в резонаторе экспоненциально спадает до нуля (рисунок 1 - в - 2), причем постоянная времени затухания однозначно связана с потерями резонатора.
Затухающая часть импульса описывается выражением:
1
I = /0 • ехр(-/т)
т = -
а
(% •!)'
где t - текущее время; т- постоянная времени затухания импульса; а - потери в резонаторе; с - скорость света; £ - длина резонатора.
Рисунок 3 - Структурно функциональная схема установки: СТР - стабилизаторы тока разряда; ПК - пьезокерамика; АОМ - акустооптический модулятор
При работе с двухзеркальным резонатором измеряются потери эталонного резонатора, после преобразования резонатора в соответствии со схемой определяются сумма потерь эталонного резонатора и исследуемого зеркала. Разница этих значений будет равна величине потерь исследуемого зеркала.
Установка состоит из оптического тракта, блока управления (БУ) и персонального компьютера. Линейно-поляризованное лазерное излучение, проходя через фазовую пластину 12, оптический изолятор, акустооптический модулятор, зеркало, плоскопараллельные
пластины попадает в исследуемый в текущий момент резонатор, при согласовании основных осей излучающего лазера и плоскопараллельных пластин, сигнал с выхода резонатора попадает на фотоприемное устройство (ФПУ). Сигнал с ФПУ попадает на плату АЦП ПК, и мультифункциональную плату 1--СагсС. Данные с платы АЦП используются для расчета потерь. Плата 1--СагС осуществляет по входному сигналу с ФПУ стабилизацию частоты линейного лазера, а также формирует строб для синхронизации чтения данных и управлением модулятором.
Блок управления содержит плату управления модулятором (ПУМ) схему управления линейным лазером, источники вторичного питания.
ПУМ формирует сигнал управления модулятором на основе входного сигнала с
фотоприемника при достижении заданного уровня.
Схема управления линейным лазером обеспечивает стабилизацию токов разряда, формирование напряжения на пьезокерамике. Управление возможно в двух режимах - ручном с помощью регулировочных потенциометров на передней панели и автоматическом -задаваемом с ПК.
Рисунок 4 - Оптическая схема определения суммарного значения потерь в эталонном
резонаторе и исследуемом зеркале
Разработано программное обеспечение (ПО) для установки измерения оптических потерь одиночных зеркал, которое упрощает анализ данных. ПО предназначено для ввода в компьютер экспериментальных данных, их обработку, сохранения и вывода на дисплей компьютера изображения, формируемого трактом визуального контроля, которое можно наблюдать на рисунке 5, где представлено рабочее окно программы. ПО так же анализирует данные, полученные и сохраненные ранее, которые можно увидеть на рисунке 6, представленные в графическом виде.
Рисунок 5 - Рабочее окно программы
Рисунок 6 - Изображение статистики
Таким образом, предложенная установка для измерения суммарного значения потерь на зеркалах позволяет отобрать зеркала с наименьшими суммарными потерями. Такие зеркала приближены к эталонным. Они используются в высокоточностных приборах. Зеркала, которые имеют большие суммарные потери, используют в приборах, в которых потери на зеркалах не влияют на выходные характеристики, или направляют на повторную обработку.
Список литературы:
1. Бороздин, В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для втузов. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
2. Васильев, А.М. Специальные методы контроля элементов лазерного гироскопа: монография / А.М. Васильев, Е.И. Гребенюк. - М.: Издательство «Русайнс», 2015. - 100 с.
3. Грицай, В.С., Попов, В.Д. Лазерный измеритель оптических потерь. Электронная техника. Серия 10. Квантовая электроника. Вып.1, 1975. С. 74-76.
