Влияние параметров резонатора и активной среды на выходные характеристики кольцевого лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КЗ - 1 9 й '

МИНИСТЕРСТВО АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ И АВТОМАТИКИ

На правах рукописи. УМ: 681.7.069.24:53. С88

Ыёлкулян Баграт Владимирович

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАТОРА И АКТИВНОЙ

СРЕда НА ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОЛЬЦЕВОГО ЛАЗЕРА

Специальность 01 .04..02.-теоретическая физика.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991 г

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте электромеханики к автоматики

Официальные оппоненты:

докт. физ-мат. наук, проф. Фадеев В.В.

(каф. квант, радиофизики, физ. фак. МГУ); канд. физ-мат. наук Колосницын Н.И.

(зав. сек.. ВНИЦПВ).

Ведущая организация: Научно-производственное объединение "ПЛАЗМА".

Защита состоится ">£-/" &А., 1992 г. в_

на заседании Специализированного Совета Всесоюзного научно-исследовательского центра

по изучению свойств поверхности и вакуума_

.№ К 041,07.02. Адрес : 117313,Москва,ул .Марии_

Ульяновой,д.3,корп.1__

С диссертацией можно ознакомиться в

библиотеке _ ВНИЦПВ __

Автореферат разослан "Л^" У^. 1 991 г.

Ученый секретарь Спецсовета^-~) № К ОД1.07.02

х' /

канд .физ-мат.наук / ^ (КАЛИНИН М.И.)

г—■

') г

_сс_эртаци.'11

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. С тех пор как появился первый лазерный гироскоп и предсказали уникальные возможности приборов на основе кольцевых лазеров достигнуты значительные успехи, и в настоящее вреыя кольцевой лазер является практичным высокоточным инерциальным датчиком.

Для достижения высокой точности лазерных • гироскопов (и других приборов на основе кольцевых лазеров) в отечественных разработках и, одновременно, для достижения требуемых эксплуатационных характеристик актуальной задачей представляется теоретическое исследование физических явлений,определяющих влияние параметров резанатора и активной среды на выходные характеристики кольцевого лазера. Определение источников нестабильности выходных характеристик кольцевого лазера в терминах измеряемвеличин позволит обнаружить новые явления и закономерности и предложить различные пути уменьшения их влияния на характеристики кольцевого лазера.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЙ служили кольцевые газовые (н©-ые )лазеры различной конфигурации резонатора и активной среды в нестационарном тепловом режиме.

ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Определение влияния конфигурации резонатора на выходные характеристики кольцевого лазе{

2. Определение влияния теплового режима акти] ной" среды на выходные характеристики кольцевог

газового лазера.

3. Разработка новых оптико-физических схем кольцевых лазеров и их элементов с целью умен] шения источников нестабильностей выходных хара теристик,обеспечения эксплуатационных требоваш

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ Разработана новая методика расчета характерист кольцевого лазера, основанная на введении моме

импульса (макроскопического орбитального моиен

количества движения) волнового пакета света в

кольцевом резонаторе. С ее помощью расчитаны:

- предельная чувствительность кольцевого лазер;

- поправка к эффекту Саньяка, обусловленная щ визной фронта волнового пакета в кольцевом лаз

Разработан новый метод компенсации влияния теплового режима активной среды на выходные характеристики газового лазера в реальном масштабе времени. Этот метод основан на введении поправок, определяемых по результатам измерений параметров активной среда кольцевого лазера, его моноблока и кожуха лазерного гироскопа.

Разработаны новые оптико-физические схемы кольцевых лазеров с самокоыпенсирукяцейся цепью разряда, позволяющей уменьшить

влияние активной среды на выходные характеристики кольцевого лазера без поправок. Разработан кольцевой резонатор с двумя пространственно разделенными контурами однонаправленной генерации, позволяющий уменьшить влияние на выходные характеристики "зоны захвата".

Разработан новый тип поверхности холодного катода газового лазера, позволяющий увеличить его стабильность и ресурс. Разработан новый способ электровакуумной обработки моноблока кольцевого лазера, позволяющий уменьшить пороговый ток и повысить стабильность его выходных характеристик.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ Проведенные теоретические исследования позволили предложить практические рекомен-дадии по компенсации источников нестабильности выходных характеристик кольцевого лазера и обеспечению необходимой точности приборов на его основе.

Теоретические расчеты хорошо согласуются с литературными и экспериментальными данными.

Предложенный новый тип поверхности холодного котода позволил повысить его ресурс по сравнению с прототипом в 1,5-3 раза.

Предложенный способ электровакуумной обработки позволил уменьшить пороговый ток кольцевого лазера на 30# без появления стратовых колебаний. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Материалы диссертации докладовались на семинарах в ФИАН СССР;ИРЭ АН СССР;НПО "Астрофизика";НПО "Плазма";НПО "Полюс"; ВНИИМЭТ.

ПУБЛИКАЦИИ.Основное содержание диссертации опубликовано в 11 научных работах.

ПОЯЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ На защиту выносятся:

1. Методика расчета предельной чувствительности кольцевого лазера.

2. Методика расчета поправки к эффекту

Саньяка, обусловленной кривизной фронта волнового пакета в кольцевом резонаторе.

3. Метод компенсации влияния теплового режима активной среды на выходной сигнал газового лазера.

Д. Оптико-физические схемы кольцевых лазеров (гироскопов и анемометров) с самокомпенсирующейся цепью разряда.

5. Оптико-физическая схема кольцевого лазера без устройства частотной подставки.

6. Поверхность холодного катода сильфонного типа.

Т. Способ электровакуумной обработки моноблока кольцевого лазера в смеси кислорода и тяжелой компоненты лазерноактивной снеси л-

СТРУКТУРА ДОСОЗРТАЦЙИ.Диссертация состоит из пяти глав, двух приложений, содержит 133 страницы текста, в том числе 33 рисунка.Список цитированной литературы включает 100 наименований.

-8-

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1 . Введение.

ГЛАВА 2 посвящена квантовым ограничения»! на работу КЛ.

Поскольку энергия Е некоторой физической

системы во вращающейся равномерно с угловой

скоростью системе отсчета связана с энерги Е0 этой же физической системы в инерциальной системе отсчета, относительно которой происхс

движение, соотношением:

Е=Е0- (К-П), где К - момент импульса физической системы I

вращающейся системе отсчета; то, как показано во второй главе, разность частот двух волновых пакетов с противополокн< направленными во вращающемся кольцевом резонаторе волновыми векторами определяется из:

АУ=| (К-Й),

где момент импульса волнового пакета( одного,

монохроматического и плоского), усредненный

за время Т=Ь/с обхода резонатора периметром

определен выражением:

■и ь

о

Л.-длина волны генерации ,1г-лостоянная Планка,

К-радиус-вектор элемента сШ- контура резонатора ¡направление сШ_ выбрано вдоль направления соответствующего волнового вектора к*по вращению. Во второй главе из (3) показано,что (2)

есть классический выходной сигнал кольцевого лазера,или:

Лг,г=ЯГЕ<®'П) • (4)

Другими словаки, показано,что при враще-

ши частоты волновых пакетов света в резонаторе изменяются вследствие наличия у каждого [енулевого момента импульса (3) (с соответст-1укнцим знаком),ось которого является осью увствительносги соответствующего лазерного ироскопа (или вследст-вие изменения их энер-ии из-за взаимодействия с полем вращения по 1)).

Из вышеизложенного,а также на основе об-ях физических принципов неопределенности чергии и времени

также фазы и числа фотонов

Ап • ЛФ> 1 (б)

[ределен минимальный угол.определяемый с 1Мощью кольцевого лазера (для одного волно-

вого пакета):

эфф

а также, соответственно,минимальная угловая скорость.определяемая с помощью кольцевого лазера (для одного волнового пакета): _Мк-АГ* о

ь гг 1

эфф

Л Л

где К и П-орты в направлениях К и соответственно ,а 11-число обходов волновым пакетом кольцевого резонатора за одно измере ние.

Полученные пределы чувствительности эффекта Саньяка интуитивно ясны: для нормальной к площадке контура угловой скорости вели чина (7) определяет минимальную характерную угловую величину в кольцевом лазере (" угловой размер длины волны генерации, видной из центра контура"). Величины (7) и (8) уточняв имеющиеся в отечественной литературе данные хорошо согласуются с достигнутыми результата ыи из иностранных источников.

Глава 3 посвящена определению влияния к визны фронта волнового пакета в резонаторе I выходной сигнал КЛ.

На основе определения момента импульса

волнового пакета света в резонаторе в третьей главе определено влияние кривизны фронта волнового пакета на выходной сигнал( первично -- на соответствующий момент импульса):

^ I- 1—2

+аг<^(—-))}])ГЗ. (9)

п/ ог

Здесь А1Л-реальный выходной сигнал ;К0~ момент

импульса плоского волнового фронта;!^- длина

участка резонатора,на котором волновой фронт

отличен от плоского, й и г .г. -соответ-

01 ' 02 1 * 2

ственко конфокальные параметры и координаты перетяжек на участке Ь в плоскости контура (индекс 1 ) и в плоскости .перпендикулярной ей (индекс 2) .Формула (9) записана для моды ГЕМ .

ООч

Как видим, уже слабое отклонение фазового фронта поля от фронта плоской волны приводит с появлению "дифракционной невзаимности" -хддитивному изменению момента импульса волно-юго пакета на величину:

т 1 01

-)+aгotg(—)}Б , (10)

01 01 о 2

-12-

или, для энергии, на величину:

АЕ0=(АК-П). Соответственно, из (10) и (11) масштабный ко эффициент кольцевого лазера изменится на:

(ДК-Й)

ь •

В частном случае, в первом приближении величина (12), из (10), будет иметь вид:

г2!4

Вышеперечисленные результаты справедливы для кольцевых лазеров любого типа.

ГЛАВА 4 посвящена определению влияния т< лового режима активной среды на выходной сиг кольцевого лазера.

При условии неизменной конфигурации коле цевого резонатора в главе А рассмотрено влия внешних и граничных условий на форм-фактор л нии усиления активной среды газового кольцев лазера.

Результирующий контур двухизотопной активной среда ( Не—N6) лазера обычно описыва нормированной на всей оси частот функцией:

Р1 р2

g (Ю+р+р £(У), (14)

12 12 где Р1»Рг - парциальные давления,а

(V) (V) -форм-факторы доплеровских конту-

20 22

эов усиления для изотопов Ие и Ие соответ-

:твенно. Однако классически доплеровский кон-

гур определен для неподвижного в целом эле-

1ента объема активной среды, удаленного от ее

'раниц. Поэтому в практических разработках,

гри геометрических размерах активной среды,

:равнимых с характерными длинами разрядного

промежутка, необходимо построить форм-фактор

[инии усиления всего газоразрядного промежут-

:а, учитывая наличие двух разных газов (в

лассической схеме лазерного гироскопа) - с

азличными концентрациями частиц XI (z) ,

1*2

лотностями вкладываемых мощностей электри-

еского поля (зЕ) и т.п., а также учитывая

еобходимость его нормировки по всему фазово-

у пространству, а не только по оси скоростей

частот). С учетом средних скоростей движения

азов на каждом участке (V. _) имеем для

1,2

ункцки распределения лазерноактивного газа в аналах кольцевого лазера:

У~У 2

1 2

2 у-1

р2 ?!

+РТР е Т12]+А2П2(2)[РЧР е

1 2 У-У 2 1 2

Р

2 т22 ,

+р-рр е ]. (

1 2

Здесь в величинах средних тепловых скоростей первая цифра индекса соответствует номеру газоразрядного участка, а вторая цифра индекса - типу атомов (Ке2°или Ые22).

Условие нормировки по всему фазовому пространству:

X 1 (г,у)с1Г=1 .

При этом для каждого газоразрядного участка концентрация определяется, как:

О

п (я wno;Z€(-L±;0'

где Ь и1»2~ длины участков (между катодом и каждым из почти симметричных анадов ()

-15-

Как видим из (16), реальный форы-фактор ( величины -А15А2) линии усиления сильно зависит от геометрии разрядного промежутка. Соответственно, такая же зависимость у коэффициента усиления газоразрядного промежутка ( обычно эти зависимости от геометрии - эм- . лирические). Аналогично можно определить геометрическую зависимость коэффициента усиления для любой конфигурации активной среды в конкретной разработке.

Другой особенностью реального форм-фак-сора линии усиления является необходимость 1редставления активной среды кольцевого ла-;ера в виде композиции различных газов. Тагов представление обусловленно наличием ¡доль конт^ура резонатора выделенных областей ^однородности электрического и теплового по-:ей. При этом каждая выделенная область (газ) арактеризуется своей средней установившейся по сечению трубки) скоростью движения воз-ужденных атомов (V). ~

Как известно, наличие в активной среде по-оков возбужденных атомов приводит к появле-яю на контуре усиления дополнительных экстренное при частотах, соответствующих этим пото-

кам по эффекту Доплера.Для стабильной работ! газового лазера используется система регулировки периметра. Она " следит ", согласно н качению, за максимумом линии усиления. Одна] при возникновении вместо одного - нескольки; экстремумов система регулировки автоматическ "следит" (с соответствующей вероятностью) зг каждым из локальных экстремумов, что привод к "дребезгу" выходного сигнала кольцевого лазера между величинами, соответствующими кг дому из экстремумов.

Поэтому представляется возможным и целе сообразным для компенсации влияния тепловогс режима на выходной сигнал кольцевого лазера

реальном масштабе времени определить средни* скорости движения потоков возбужденных атом< после чего вводить поправки в выходной сигн в соответствии с соотношениями, определенны] в главе Л .

Реальный (АУ) и идеальный (Аъ>0 )выходнь сигналы кольцевого лазера (определяемые тепловым режимом активной среды) связаны со средней по сечению скоростью потока:

ч*. г

Аг>=Д^(1,

^де индексы (1,2) обозначают сигнал, соответ-:твующий каждому из определяемых скоростями 7 дополнительных экстремумов.

При этом,например,,(V ) на участке (2 »И2) >азряда вдоль контура резонатора за промежуток времени ) определится через значе-[ия температур внутренней стенки активной реды ,как

Л ЧсК^.)3.

1п Ч^тт^

¿о >

~ут[1~ ^ГТ^ТвГ) • (19)

О * 1 о

таком случае один из поправочных коэффици-чгов для определения )из (АУ)

/дет(см.18)

(19):

3£=(1- (20)

К0=——- ; Г21)

Уе Ут

Л=(^){1п ; (22)

JQ (К/Еа )—функция Бесселя вещественного аргумента нулевого порядка. И-радиус трубки;

-определяется из аргумента (г/И0 ),соответствующего среднему значению функции «1(г/К0 )ш

участке (О ;Ю .Характерные частоты разряда:

X

(^-температуропроводность возбужденного газа)

Температура внешней стенки активной среды Т (г ; 1) (измеряемая непосредственно )определя-

V с

ет (У -температуропроводность.Н-толщина стенки активной среды)температуру внутренней стенки Т (25^) из (19). (22) по формулам:

Т -Т т

Г ,=Т +Т ^){сЬ[АгоЬ(—)-

V». О О . . ' .

Т -Т Т

V© о о

-Н(у—/т _т у) 3-1}. ('

о'

при условии

V© о

. т -т. т

=тл+тл (——-) {1 -оов [агоооБ (— )_

VI о о * .

т -т

О V©

т.

ри условии:

Т -Т

О V®

тг/ " " "_

) 3)

(27)

Т -Т

V© о

(28)

1/2

Т 1/2 2

О

3 ,

ри условии:

Т -Т

(дтЬг)=0 V© о

(29)

(30)

цесь Т0 (t)-температура термодатчика.располо-енного в средней точке внутри кожуха лазер-эго гироскопа.

Условие То^0 в (25) и (27) необходимо Эеспечить подбором газа в кожухе лазерного дроскопа и подбором времени опроса,в течении эторого возмущение температуры (источника )на эноблоке кольцевого лазера успевает повлиять

-гона температуру кожуха (и наоборот) ,а также подбором времени,в течение которого возмущение температуры на внутренней стенке монобл^ ка успевает влиять на температуру внешней стенки моноблока.

В главе 4 приведен также метод компена щи влияния теплового режима активной среды ГЛАВА 5.Представлены некоторые техничес кие предложения по реализации кольцевых лаз< ров со стабильными параметрами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ Цели .поставленные в работе,выполнены бл годаря применению следующих подходов: 1 .Привлечение понятия момента импульса

волнового пакета в кольцевом резонаторе. 2.Определение реального форм-фактора линии усиления кольцевого газового лазера. 3.Разработка новых технических решений по уменьшению источников нестабильностей в кол! цевом лазере(оптико-физические схемы, элеме! и способ изготовления КЛ).

-21-

Основные результаты диссертации опублико-ш в „следующих работах:

¿елкумян Б.В.-'Исследование влияния темпе-гурных градиентов на точность ЛГ".-Материа-X1Y н.-т.конф.мол.уч.и спец.института от ,11.1984 г.Часть 1:"Элементы и устройства :темы управления и навигации". ЮЦАОНТИ(МИЭА),1985 г.,с.3...7. 1елкумян Б.В.-"Локальный разогрев активной ¡ды кольцевого лазера".- V1 Московская горская конф.мол.уч.и спец.по повышению надеж-ти,экономичности и мощности энергетическо-электротехнического и радиоэлектронного рудования.Подсекция "Физика".Тезисы.--.МЭИ (1985 г.).

елкумян Б .В .-'Предельная чувствительность ерного гироскопа".-Вопросы авиационной наи техники.Серия:"Пилотажно-навигационные темы и приборы"(1989г.).Выпуск с.11...17.

елкумян Б.В.-"Начальное установление час-», я генерации кольцевого газового лазера".-тросы авиационной науки и техники .Серия: гсотажно-навигационные системы и приборы" 39г.).Выпуск 9а,с.102...108.

о о

5. Мелкумян Б.В.А .с.СССР от 22.09.1933г.

по МКИ: 0010 19/54; Н015 3/083; 3/09, Ио 215084.

6.Мелкуыян Б.В.А.с.СССР от 17.09.1934-г .

по МКИгвОЮ 19/б4;Н01Б 3/033, N0 226439.

7.Мелкумян Б.В..Чеботарев С.И. А.с.СССР от 11.03.1985г. по МКИ: в01 С 19/64.

N0 236539.

8.Мелкунян Б.В. А.с.СССР от 16.09.1983 г.

.по МКИ: С01Р 5/00;3/Зб, N0 1141860.

9.Мелкумян Б.В. А.с .СССР от 02.10.1985г.

по МКИ: й01С 19/64, N0 246973.

Ю.Ефимов Б.В..Мелкумян Б .В..Прасицкий В.В.,' Чеботарев С.И. А.с.СССР от 01.07.1985г.

по МКИ: Н0и/3О, Ыо 1367765-11.Ефимов Б.В.,Иванов О.И..Мелкумян Б.В., Ремизов Б .П..Фридкин Ю.Б. А.с.СССР от 27.12. 1988г. по МКИ: СОЮ 19/64, N0 304005.