Высокодобротный призменный резонатор кольцевого лазера малогабаритного лазерного гироскопа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат технических наук Воронина, Елена Анатольевна

• Воронина, Елена Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронина, Елена Анатольевна

Введение.;.б

Глава 1. Пути уменьшения оптических потерь на поверхностях призм кольцевого лазера.

§1.1 Нарушение радиационной оптической устойчивости материала изготовления призм при проведении кислородного отжига и способ ее восстановления.

Выводы.

§ 1.2 Термовакуумная обработка призм оптического резонатора как способ снижения оптических потерь.

Выводы.

Глава 2 Исследование свойств и оптимизация конфигурации трехгтризменного резонатора кольцевого лазера.

§ 21 Преимущества трехпризменной конструкции резонатора перед четьрекпризменной. Селекция длин волн и влияние температуры на селективность трехгтризменного резонатора Термоустойчивость.

§ 2.2 Оптические схемы и оптимизация конфигурации трехгфизмеыного резонатора.

Выводы.

§ 2.3. Анизотропия, создаваемая механическими напряжениями в материале призм, основные причины ее возникновения и конструктивные способы устранения влияния на поляризационные характеристики проходящего излучения.

Выводы.

Глава 3. Исследование поляризационных потерь в призменных резонаторах кольцевых лазеров.

§ 3.1. Интенсивность излучения, отраженного от прегомляющих граней резонаторных призм как критерий поляризационных потерь и основные факторы, его определяющие и методика ее измерения.

§ 3.2. Сравнительный анализ поляризационных потерь в KJI моноблочной и пленарной конструкции по результатам измерения иттс^носта отраженных лучей.

Выводы.

Глава 4. Реализация трехпризменного резонатора в конструкции кольцевого лазера.

§ 4.1 Конструктивные особенности кольцевых лазеров с трехпризмеиным оптическим резонатором.

§ 4.2 Реализация трехпризменного резонатора с закреплением призм на оптическом контакте в кольцевом лазере планарной конструкции.

§ 4.3 Стабилизация частоты лазерного излучения и контур усиления излучения трехпризменного кольцевого лазера.

§ 4.4 Ширина полосы шнхронизации встречных волн в кольцевом лазере с трехпризменным резонатором.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокодобротный призменный резонатор кольцевого лазера малогабаритного лазерного гироскопа»

Актуальность. Кольцевые лазеры (КЛ) находят широкое применение в интерферометрии. Актуальность задачи снижения уровня потерь в оптическом резонаторе КЛ в том, что ее решение позволяет повысить точность проводимых измерений в большинстве применений KJI, таких, как гироскопы, газоанализаторы и многих других. Одним га наиболее перспективных направлений является создание малогабаритных высокоточных гироскопов с большим сроком службы для инициальных навигационных систем (ИНС), широко применяемых в гражданской и в военной технике. В этой связи особое внимание уделяется гироскопам на основе кольцевых лазеров. Точностные характеристики лазерных гироскопов (JIT) во многом определяются качеством оптических резонаторов КЛ. Актуальность снижения уровня потерь в оптическом резонаторе в том, что оно позволяет уменьшить мощность накачки; необходимую для поддержания требуемой мощности излучения. При этом улучшаются эксплуатационные и точностные характеристики прибора

По эксплуатационным характеристикам. Во-первых, уменьшается время готовности, т.к. уменьшается саморазогрев. Во-вторых, увеличивается срок службы прибора, т.к. в разряде меньшей мощности медленнее протекают деградационныв процессы

По точностным характеристикам: Во-первых, уменьшается сдвиг нуля выходной характеристики прибора, обусловленный диваг-микой тешювых потоков в активной среде. Причиной тешювых потоков является температурный градиент, который можно уменьшить, снизив мощность накачки. Во-вторых, уменьшается нестабильность сдвига нуля, что обусловлено снижением влияния нелинейных эффектов в активной среде при уменьшении коэффициента усиления.

В этой связи призменнью конструкции представляют интерес наряду с зеркальными. В отечественной практике технология изготовления призм для оптических резонаторов хорошо освоена и по рассеянию излучения на поверхностях они соответствуют лучшим образцам интерференционных зеркал Это подтверждает опыт разработок и испытаний ЛГ типа КМ-11 с оптическим резонатором, образованным четырьмя призмами полного внутреннего отражения (ПВО). Призмы устанавливаются на моноблоке, попарно герметизируя каналы, в одном из которых инициируется ВЧ разряд. Материалом для изготовления призм служит кварцевое стекло марки КУ-1. Оно обхвдзет высоким коэффициентом пропускания в широком спектральном диапазоне от 0,23 мкм до 1 мкм и малыми потерями, что позволяет, в частности, использовать его в волоконных линиях связи. Для длины волны 0,63 мкм величина потерь составляет 7 дЕ/км [1]. ГЪтери в четырехпризменном резонаторе при соблюдении технологии удается снизить до 0,025%, в то время как в зеркальных аналогах они составляют порядка 0,03 - 0,04 %. Однако есть ряд задач, связанных с уменьшением габаритов и упрощением конструкции гироскопа, что повышает требования к качеству резонатора

Оптические потери в призменных резонаторах определяется тремя основными факторами: оптическими потерями в материале призм, на их поверхностях и паразитным отражением на преломляющих гранях. ГЬслеяние> в свою очередь, обусловлены несовпадением радиусов кривизны волновых фронтов и поверхностей призм, а также двупучепрезюмлением в напряженно-деформированных областях материала призм, создаваемых закреплением. В ходе проведенных исследований были разработаны технологические и консгрук-тивньвз пути снижения влияния перечисленных факторов.

Цель работы. Цзлью данной диссертационной работы явилось проведение исследований, направленных, на:

- создание вькхжодобротного пршменного резонатора кольцевого лазера для малогабаритного лазерного гироскопа, отличающегося малыми поляризационными потерями излучения при отражении от поверхностей резонаторных призм и хорошей термоустойчивостью в широком диапазоне температур.

- выявление основных причин возникновения оптических потерь в тонких приповерхностных слоях резонаторных призм, снижете их влияния.

- выявление причины нарушения и восстановление радиационной оптической устойчивости материала изготовления призм (кварцевого стекла марки КУ-1).

Научная новизна. Впервые; с целью создания высокодобротного оптического резонатора для малогабаритного лазерного гироскопа, а также уменьшения оптических потерь на поверхностях и в материала резонаторных призм:

1. изготовлен и исследован трехпризменный резонатор, отличительными особенностями которого являются:

• малые поляризационные потери на отражение излучения от резонаторных поверхностей, обусловленные малой кривизной волнового фронта;

• возможность уменьшения линейных размеров при сохранении устойчивости к температурным разъюстировкам;

• селекция рабочей длины волны 0,63 мкм, обеспечиваемая выбором величины угла полного внутреннего отражения на отражающей грани одной из резонаторных призм в диапазоне 0,540 в нормальных климатических условиях, что улучшает селективность резонатора и сохраняет ее в широком диапазоне температур.

2 Разработана методика измерения поляризационных потерь на отражение излучения в призменном резонаторе.

3. Дано объяснение природы нарушения радиационной оптической устойчивости кварцевого стекла КУ-1 при отжиге в кислороде, предложен и реализован способ ее восстановления термовакуумной обработкой.

4. Исследованы факторы состояния поверхностей призм, влияющие на оптические потери, предложен и реализован технологический процесс, позволяющий уменьшить оптические потери в тонких приповерхностных слоях призм и стабилизировать их состояние.

Практическая ценность. Полученные в диссертационной работе результаты реализованы в разработанных и выпускаемых в НИИ «Полюс» лазерных гироскопах типа КМ-11.

1. Применение разработанного технологического процесса термовакуумной обработки призм позволило уменьшить оптические потери в четырехпрюменном резонаторе прибора типа КМ-11. При этом средняя величина оптических потерь на одной призме уменьшилась с 5,9 * 1 а3 % до 4,4 * 1(Г3 %.

2 Применение разработанного технологического процесса восстановления радиационной оптической устойчивости (РОУ) кварцевого стекла марки КУ-1 позволило восстановить ЮУ материала резонаторных призм, нарушенную при его изготовлении в процессе па-рофазного синтеза

3. Применение разработанной методики измерения поляризационных потерь на отражение излучения в призменном резонаторе позволяет контролировать оптические потери в процессе сборки резонатора с точностью 5* 10'4 %.

Достоверность полученных результатов обеспечивается правильным использованием методов математического расчета, технологических методик исследований и проведением экспериментов автором, имеюцим многолетний опыт работы по тематике диссертации.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные автором конструктивные и технологические решения открывают возможность применения вьюокодобротного призменного резонатора в малогабаритном лазерном гироскопе.

2. Технологический процесс термовакуумной обработки призм резонатора позволяет уменьшить оптические потери на их поверхностях на V* от исходной величины

3. Технолэгический процесс восстановления радиационной оптической устойчивости материала призм (кварцевого стекла марки КУ-1) обеспечивает требуемый коэффициент пропускания материала для рабочей длины волны 0,63 мкм и его устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения.

4. Применение трехпргаменной конструкции резонатора позволяет существенно уменьшить поляризационные потери на отражение от резонаторных поверхностей, влиякяцие на точностные характеристики лазерного гироскопа, и приблизить соотношение р- и s-компоненты излучения, отраженного при падении на резонаторные поверхности под углом Брюстера, к минимальной величине; обусловленной отражением от пленки Друде.

5. Мгтод селекции длин волн, основанный на выборе величины угла полного внутреннего отражения для одной из резонаторных призм, позволяет использовать в конструкции трехпризменного резонатора недисперсионныз призмы, что обеспечивает селекцию длины волны лазерного излучения 0,63 мкм и высокую термоустойчивость резонатора в диапазоне температур от 213 К до 363 К

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах, проводимых в ФГУП «НИИ «ГЪлюс» им. МФ. Стельмаха», а также на научно-технических семинарах кафедры физики им. В А Фабриканта Московского государственного энергетического института

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 статьи, представлен научно-технический отчет в МИННАУКИ России по гос. контракту и выдан патент на изобретение № 2188488 (решение от 24.01.02 г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных результатов и выводов, списка использованной в работе литературы и приложений. Общий объем

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Воронина, Елена Анатольевна

Выводы:

Проведен комплекс расчетно-аналитических, конструкторских и технологических работ по созданию высокодоброшого оптического резонатора кольцевого лазера для малогабаритного лазерного гироскопа

1) ГЪказано, что технологический процесс термовакуумной обработки резонаторных призм позволяет уменьшить оптические потери на поверхностях в среднем на 25% от исходной величины

2) Установлена причина нарушения радиационной оптической устойчивости материала изготовления призм (кварцевого стекла мерки КУ-1) и показано, что разработанный технологический процесс ее восстановления обеспечивает требуемый коэффициент пропускания для рабочей длины волны излучения 0,6328мкм.

3) Создан высокодобротный призменный резонатор с малыми поляризационными потерями. ГЪказано, что применение трехпризменного резонатора позволяет в отличие от известной четырехприз-менной конструкции сформировать резонатор из недисперсионных призм с селекцией длин волн по углу ПВО, что обеспечивает большую термоустойчивостъ резонатора

4) ГЪказано, что применение трехпризменной конструкции позволяет уменьшить периметр резонатора в 2,7 раза по сравнению с четырехпризмешюй. При этом на 25 % уменьшаются оптические потери на поверхностях за счет их меньшего числа, и на 45 % уменьшаются потери в материале за счет меньшего расстояния, проходимого лучом в материале призм.

5) ГЪказано, что применение трехпризменной конструкции позволяет по сравнению с четырехпризмешюй в 4 раза уменьшить суммарные поляризационные потери в резонаторе (до значения и в 3 раза на одной преломляющей грани (до значения (О,SH),2)* 10Г3 %).

6) Показано, что применение трехпризменной конструкции позволяет по сравнению с четырехпризменной в 1,7 раза уменьшить потери на отражение рабочей р-компоненты излучения от одной преломляющей грани (до значения 1,93-104 %), и приблизить соотношение р- и s-компоненты излучения, отраженного при падении на резо-наторные поверхности под углом Брюстера к минимальным величинам, обусловленным отражением от пленок Друде.

7) Изготовлен кольцевой лазер, в конструкции которого применен разработанный трехпризменный резонатор с длиной периметра 175 мм По результатам исследования основных характеристик кольцевого лазера показано, что:

- пороговая мощность высокочастотной накачки составляет 0,5 Вт, что меньше аналогичного показателя для четырехпризменной конструкции КМ-11 (0,7 Вт) ' .

- контур усиления активной среды имеет сглаженную форму, характфшующуюся превышением мощности накачки над порогом генерации, при котором в минимуме контура усиления амплитуда сигнала разностной частоты равна измеренной в вершине контура (26 % и 24 % соответственно);

- величина области нечувствительности составляет 400 Гц, что согласуется с расчетными данными.

Таким образом, на основе разработанных конструктивных и технологических решений был создан трехпризменный резонатор с уровнем оптических потерь 0,01%, т.е. почти в два раза меньше по сравнению с аналогичным показателем известной четырехпризменной конструкции, применяемой в приборе КМ-И. Результаты сравнительного анализа оптических потерь в трех- и четырехпризменном резонаторе представлены в таблице.

1рехпризменный резонатор четырехпризменный резонатор суммарные потери 11,17 *10~3% 25,01'10"3%

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕЛ! НА ОТРАЖЕНИЕ ОТ ПОВЕРХНОСТНА ПРИЗМ 2,96*103 % 11^96-lQ3 % поглощение я рассеяние излучения в материале Ерше (кварцевое стекло мэрия КУ-1). 4,43 -ю'3 % 8.0М0'3 % поглощение и рассеяние излучении на поверхности призм 3,78 -10"3 % 5,04-10"3'/.

Заключение.

Ошжение массогабаригных показателей лазерных гироскопов связано, в первую очередь, с уменьшением линейных размеров КЛ, что сопровождается усилением влияния рассеянного и отраженного в оптическом резонаторе излучения на точностные характеристики ЛГ. Современные технологии обеспечивают уровень оптических потерь в зеркальных резонаторах порядка 0,03 - 0,04 % , что считается хорошим показателем. Однако технологические и конструктивные возможности призменных конструкций позволяют снизить потери до 0,01 %. В рассматриваемом в данной работе трехпризменном резонаторе это достигается конструктивно, прежде всего, снижением поляризационных потерь на отражение рабочей р-компоненгы излучения от преломляющих граней призм. Существенно, что при хорошей термоустойчивости резонатора это практически не. создает ограничений для уменьшения его линейных размеров, а выбор угла 11ВО на отражающей грани одной го призм, обеспечивает хорошую селективность резонатора в широком температурном диапазоне. Кроме, того, технологические возможности, в частности, применение специальных технологий термовакуумной обработки, позволяют уменьшить оптические потери на поверхностях призм в среднем на 25 % от исходной величину а так же контролировать и восстанавливать радиационную оптическую устойчивость материала изготовления призм. Разработанные конструктивные и технологические пути уменьшения оптических потерь создают задел для реализации высокодобротного пршменного резонатора в малогабаритном лазерном гироскопе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронина, Елена Анатольевна, 2004 год

1. WDM Solutions, January 2001, p. 71.

2. Бреховасих С. M, Ткшьнин В. А Радиационные центры в неорганических стеклах. М, Энергоатомиздат, 1983г. 200 с.

3. Мапопе МJ // Appl. Ehys. Lett. 1981. Vol.38. P. 115-117.

4. Калантарьян O.B, КЬноненко С.И., Муратов В И Динамика накопления радиационных повреждений в кварце при облучении легкими ионами. // Радиационное материаловедение. (Труды международной конференции по радиационному материаловедению), 1991,Т.9, &142

5. Friebele E.J., GriscomD.L, Marrone MJ. Hie optical absorption and luminescence bands near 2 eV irradiated and drown synthetic silica // J. Non-Qystalline Solids, 1985, V.71, P. 133.

6. Karman S., li J., Lehman R.L, Sigel G.H. Exrimer-laser-induced spar tially variant luminescence in pure-silica core fibers with fluorine-doped silica cladding // .Applied Optics, 1993, V.32, № 33, P.66

7. Minekuni S., Yamanaca Т., Shimogachi Y„ et el. Various type of non bridging oxygen hole center in high-purity glass // J. Appl. Phys., 1990, V.68L №3, P. 1212

8. Awaai K., Kawaaoe H 02 molecules dissolved in synthetic silica glasses and their photochemical reactions induced by ArF exdmer laser radiation // J. Appl. Phys., 1990, V.68, №7, P.3584

9. Бюргановская Г.В, Вфгнн HE, Леко НА, Орлов НФ. Действие излучений на неорганические стекла М: Атомиздат, 1968г. 244с.

10. Кварцевое стекло, Материалы II Всесоюзного симпозиума по кварцевому стеклу. Москва, 1972г., ч. И, с. 128 -134.

11. И. Бреховасих С.М, Викторова Ю.Н, Лавда Л.М Радиационные центры в стеклах. М, Энергоиздат, 1982г. 184 с.12 "Прочность стекла" под ред. Степанова, 1969 г. статьи.

12. Черешшн НЕ " Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике", М: "Советское радио" 1967г., 408 с.

13. Воронина ЕА, Курятов RH Радиационная оптическая устойчивость кварцевого стекла ЬЬучное приборостроение, 2001, 11, № 1, с.39-45.

14. Научно-технический отчет в МИННАУКИ России по гос. контракту № 40.03Z 11.49 от 15.09.03 г., ФГУП «НИИ «Полос»», рук. работы -д.т.н. Курятов ВН

15. Отчет по НИР «Исследование схем специальных резонаторов». 1992г.

16. Ищенко ЕФ. «Открытые оптические резонаторы». М :Сов. Радио, 1980.207 стр.

17. Ицдиоов НО., Курятов RH, Семенов Б.Н, Соколов ИЛ, Фофанов Я. А Отгака и спектроскопия, том 75, вып.2,1993.

18. Нарасимхамурти Т. Фотоупругие и электроотпические свойства кристаллов. Москва, 1984. 621 с.

19. Научно- технический отчет о НИР «Карусель». НИИ «Полюс», Москва 1991.24. Штенг РФ №2188488.25. hfycieab ЕР., Пэрыгин RH методы модуляции и сканирования света М, 197Q. 320 с.

20. Kemp C.J/// J. Opt Soc. Amer. 1969. V. 59. P. 128-135.

21. Fofanov Ya A// J. Sov. Las. Res. 1991. V. 12 N 6.

22. Фофанов АЯ // Квант. электрон. 1989. Т. 16. С 2593 2595.

23. Курятов R Н, Соколов AJ1 Квантовая электроника, т.30, №2 (2000), а 125.'

24. Воронина ЕА, Курятов RH, Соколов AJL Призменный кольцевой резонатор с малыми поляризационными потерями Квантовая электроника, 2002, 32, №3,235 - 238.

25. НА Кизель. Отражение света «Наука», Москва, 1973г., 352 с.

26. Англия, кл H1Q заявка 1.252952 от 17,.04.69 " Лазер".33. Авт. свид. №108.04834. Авт. свид. № 125.79635. Авт. свид. № 112653 .

27. С.Э. Фриш АН Тиморева 'Курс общей физики" т.З,' 1951г., с. 134-141

28. Г.С. Лавдсберг 'Оптика', изд-во 4Наука\ Москва, 1976 г.

29. С. И Бычков, ДП Лукьянов, А И. Бакаляр. Лазерный гироскоп. М, "Сов. радио", 1975. С. 267.

30. Климентович Ю.Л, Курятов ВН., Ланда ПС. О синхронизации волн в газовом лазере с кольцевым резонатром. «ЖЭТФ», 1966, т. 51, вып. 17.

31. Патент на изобретшие № 2188488. (Кольцевой лазер). Официальный бюллетень Роспатента «Изобретения. ГЪлезные модели.» № 24 от 27.08.2002г.

32. RE Привалов. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л, «Судостроение», 1989 г., 260 с.