Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
16.3. Рециркуляционный датчик длины волны излучения лазера
Для решения задачи измерения и управления длиной волны лазерного излучения [19] в качестве дисперсионного элемента используется волоконно-оптическая линия задержки. Время распространения оптического излучения в световоде зависит от длины волны излучения. В датчике реализуется режим синусоидальной рециркуляции, при котором период модуляции равен времени оптической задержки излучения в световоде. Измеряя частоту (период) модуляции определяется коэффициент преломления излучения в световоде, а, следовательно, и длина волны излучения. Затем путем изменения тока инжекции производится перестройка и стабилизация длины волны излучения. Данная система позволяет с высокой точностью измерять длину волны излучения одного лазера и обеспечивает управление длиной волны его излучения. Однако этот датчик не способен одновременно измерять две длины волны излучения лазера, а также управлять длиной волны излучения лазеров, способных генерировать излучение на двух оптических длинах волн.
Для одновременного измерения двух длин волн когерентного излучения создан датчик, в котором реализуется режим оптико-электронной рециркуляции одновременно на двух оптических длинах волн. На рис.75 представлена функциональная датчика длины волны излучения двухволнового инжекционного лазера [22]. Измеряя частоту (период) рециркуляции на первой длине волны определяется ее коэффициент преломления в световоде, а, следовательно, и длина волны излучения. Измеряя разность частот рециркуляции на первой и второй длинах волн, определяется вторая длина волны излучения. Перестройка и управление длиной волны осуществляется путем изменения тока инжекции лазера. Длину волоконного световода L следует выбирать таким образом, чтобы время
123
задержки в нем оптического излучения было больше времени электрической задержки в функциональных блоках системы.
Рис. 75. Функциональная схема датчика длины волны излучения двухволнового лазера. Л - лазер, БУ - блок управления длиной волны излучения лазера, ВС - дисперсионный волоконный световод, ФП - фотоприемник, У-усилитель, В -вычислительный блок, & - элемент “И”, ЛЗ - линия задержки.
Диапазон рабочих длин волн АХ определяется спектром пропускания волоконно-оптического световода и полосой приемника излучения, и для световода из кварцевого стекла составит АХ = 190...2500 нм. Крутизна характеристики управления излучением лазера df/dX = 23 Гц/А0. Время измерения равно 0,1 .„1 сек. Чувствительность датчика к изменению длины волны генерации лазера составляет 0,05 Ао.
16.4. Волоконно-оптические гироскопы
Как уже отмечалось, волоконно-оптические датчики интерферомет-рического типа отличаются высокой чувствительностью и служат основой для построения гироскопов. Гироскоп выполняет функцию детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инер-циальной навигационной системы. В отличие от механических, волоконно-оптические гироскопы, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей, и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность: высокая надежность [8].
Принцип работы. На рис. 76 приведена оптическая схема волоконнооптического гироскопа. По сути, это интерферометр Саньяка, в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки.
124
Рис. 76. Схема волоконнооптического гироскопа
Разность фаз между двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка, с учетом формулы выражается как
4nLa
Ау = -
еХ
-П.
(137)
где N - число витков в катушке из волокна; L - длина волокна; а - радиус катушки, X - длина волны излучения, Q - угловая скорость.
Следует обратить внимание на то, что в основную формулу не входит коэффициент преломления света в волокне. Благодаря совершенствованию технологии производства выпускается волокно с очень низкими потерями. Однако, чтобы не повредить волокно, намотка производится на катушку радиусом несколько сантиметров. При этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения потерь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высокочувствительный интерферометр Санья-ка с катушкой небольшого радиуса (2... 5 см), намотав на нее волокно большой длины (от нескольких сотен метров до нескольких километров). Сформировав оптимальную оптическую систему, можно измерять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной навигации - порядка 10-6 рад), а затем из формулы (137) определять круговую скорость. Все это и составляет принцип работы волоконно-оптического гироскопа.
Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп - пассивного типа, в нем отсутствуют такие проблемы, характерные для кольцевых лазерных гироскопов, как явление синхронизма. Кроме того, благодаря использованию полупроводникового источника света, а в будущем - оптических ИС, можно ожидать уменьшения габаритов, энергопотребления и повышения надежности гироскопа.
