Кольцевые лазерные гироскопы (КЛГ) на основе гелий-неоновых лазеров появились более полувека назад и до сих пор серьёзной альтернативы газообразной активной среде в них практически не существовало. Это связано прежде всего с тем, что одним из основополагающих условий действия КЛГ является стабильность и относительное равенство интенсивностей излучения, испускаемого в обоих направлениях, чему препятствует явление межмодовой конкуренции, обусловленное тем, что одна из двух встречных мод монопольно использует имеющееся усиление в ущерб другой моде.
Данная проблема в серийных КЛГ решается именно благодаря использованию гелей-неоновой газовой смеси, которая обеспечивает усиление моды с заданной частотой и способствует двунаправленному уравновешенному излучению без конкуренции мод. Однако с точки зрения надёжности лазерной системы, газовая активная среда не является оптимальным решением, поскольку она, с одной стороны, требует высокой чистоты газовой смеси и большого энергопотребления, а с другой стороны, имеет существенные эксплуатационные ограничения и снижает жизненный ресурс гироскопа в виду постепенной утечки газа и износа основных деталей.
В этой связи более перспективным выглядит применение в лазерных гироскопах вместо гелий-неоновой газовой смеси активной среды на основе кристаллов алюмоиттриевого граната (АИГ), легированного неодимом (Nd:YAG) при использовании диодной накачки. Также существует возможность использовать в качестве активной среды оптическое стекло, легированное ионами редкоземельных металлов (эрбия, иттрия и т.д.).
Одночастотные лазерные диодные модули
Имеются две схемы создания полностью твердотельных КЛГ: первая — это схема импульсного кольцевого лазера с фиксированной режимом, а вторая — схема непрерывного волнового кольцевого лазера. Однако в обоих случаях мы сталкиваемся с однородностью уширения линии усиления твердотельных сред, что вызывает чрезвычайно сильную межмодовую конкуренцию, преодолеть которую можно с использованием устройства обратной связи, которое перераспределяет интенсивность лазерного излучения в пользу более слабой моды, тем самым приводя интенсивность обеих встречных мод к общему значению. Ниже представлена одна из экспериментальных схем построения твердотельного лазерного гироскопа (ТЛГ).
Вибрирующий кристалл Nd-YAG с диодной накачкой помещен в кольцевую полость на поворотном столе. Вносимые потери, уравновешивающие интенсивность встречных мод, создаются контуром обратной связи, действующим на вращатель Фарадея (дополнительный кристалл YAG внутри соленоида) в сочетании с поляризационным зеркалом и небольшой неплоской поверхностью резонатора, находящегося вне данной схемы. Два фотодиода используются для генерации сигнала межмодовой разности в контуре обратной связи, а третий фотодиод измеряет частоту биения между встречными модами, эквивалентному угловой скорости (эффект Саньяка). Данная схема ТЛГ подразумевает использование высококачественных поляризационных зеркал с разрешением 1,064 мкм.
Стабильность нулевого смещения такого ТЛГ потенциально может достигать 0,01 °/ч при случайном блуждании 0,001 °/√ч.
Ещё одна идея создания полностью твердотельного лазерного гироскопа основана на применении NPRO. Монолитные неплоские кольцевые осцилляторы (NPRO - Non-Planar Ring Oscillator) с усиливающейся средой из кристалла Nd:YAG уже давно стали ключевыми строительными блоками для высокопроизводительных, низкошумящих одночастотных лазеров, широко используемых в научных исследованиях, промышленности и аэрокосмической отрасли.
Заказать активные элементы YAG:Nd
В данном случае имеется в виду ТЛГ на единственном монолитном неплоском кольцевом генераторе миллиметрового размера в форме NPRO с усилителем из Nd:YAG - кристалла или Nd-стекла. При повторном введении выходного лазера в NPRO с учётом определённой магнитной интенсивности, то есть в режиме интерферометрии лазерной обратной связи, возникает стабильное двунаправленное излучение как в CW, так и в CCW направлениях.
И хотя точность измерений экспериментальных моделей ТЛГ на NPRO пока не слишком велика (она находится примерно на уровне МЭМС гироскопов) из-за влияния различных шумов, но зато такой гироскоп имеет хорошие показатели по соотношению габаритных размеров, массы и энергопотребления, а также все преимущества оптических гироскопов по стабильности работы и конструктивной надёжности.
Кроме того, NPRO-гироскопы также имеют большой потенциал для повышения точностных характеристик и снижения влияния шумов в будущем. Магнитный шум можно активно подавить, используя небольшую электромагнитную катушку в качестве привода и магнитный датчик в качестве зонда. Шум от лазерной накачки может быть подавлен с помощью активной обратной связи. Температурный шум также может быть подавлен пассивной изоляцией и активным регулированием температуры одновременно.
Приведённые выше схемы ТЛГ не являются единственно возможными. Для создания регулируемого двулучеприломления могут использоваться, например, жидкокристаллические клапаны (затворы), а также иные типы магнитооптических устройств и оптических волокон.