Laserový gyroskop
Pokud laser není provozován s lineárním rezonátorem ohraničeným dvěma paralelními zrcadly, jak je tomu obvykle, ale s rezonátorem, který běží zpět do sebe v prstenci v jedné rovině, nazývá se to prstencový laser . Tvar prstenu může být realizován vhodně položeným skleněným vláknem nebo uspořádáním několika zrcadel. Stálá vlna generovaná v rezonátoru udržuje svůj směr v prostoru, když se uspořádání otáčí v jeho rovině. Zařízení, které umožňuje pozorování stojaté vlny, lze proto použít jako kompas k pozorování směru a změn směru. Je to proto, že laserový gyroskop si pamatoval část slova „gyroskopy“ na „ gyroskopu “. Laserový gyroskop neobsahuje žádné pohyblivé části, pracuje bez opotřebení a je vysoce přesný. Sagnacký interferometr , který se v této souvislosti občas zmiňuje , se od laserového gyroskopu liší tím, že spojuje světlo ze stacionárního světelného zdroje do otočné části uspořádání a neměřuje jeho směr, ale jeho úhlovou rychlost.
zásada
konstrukce
Kruhový laser se skládá z uzavřeného rezonátoru ve tvaru prstence, ve kterém je vytvořena část, která zesiluje záření pomocí stimulované emise (laser). Protože všechny ostatní paprsky jsou zrušeny superpozicí, zůstávají pro další zesílení pouze ty paprsky ( režimy ), které tvoří stojatou vlnu. To má za následek dva protikladné paprsky stejné vlnové délky, každý koherentní. Cesta zesilovače musí do vlny vnést alespoň tolik energie, aby byly kompenzovány ztráty, které z. B. způsobeno zrcadlem, které není 100% reflexní. Na rozdíl od normálního lineárního laseru, ve kterém omezující zrcadla vynucují oscilační uzly, je v prstencovém laseru fáze, tj. Poloha maxim a minim stojaté vlny, náhodná. Stojatá vlna předpokládá, že opačně cirkulující paprsky mají dráhy přesně stejné délky. Při otáčení by se však jedna cesta dočasně prodloužila a druhá se zkrátila. Po vytvoření si stojatá vlna velmi vytrvale udržuje svoji pozici v prostoru. Z toho vychází použití uspořádání jako „kompasu“ (přesněji: horní část kurzu). Vlnu lze jen stěží přímo pozorovat, protože například zavedení obrazovky, která má ukazovat maxima, by z cirkulujícího světla extrahovalo více energie, než může dodávat cesta zesilovače; vlna by se zhroutila. Aby bylo možné stále pozorovat stojatou vlnu, odpojí se tak malá část paprsků cirkulujících v obou směrech, že cesta zesilovače může kompenzovat ztrátu a přivede tyto částečné paprsky k interferenci u detektoru.
Účinek a pozorování změn polohy
Jelikož oddělené dílčí paprsky mají stejnou frekvenci jako stojatá vlna a jsou pevně spojeny ve fázi, interferenční proužky se používají k nepřímému pozorování samotné stojaté vlny.Pokud se uspořádání otáčí v rovině dráhy paprsku, oba dílčí paprsky procházejí pozorovacím polem a tím indikují rotaci zařízení. Taková expanze změní prstencový laser na laserový gyroskop.
Zvláštní požadavky na konstrukci
Při uspořádání zrcadel je třeba vzít v úvahu, že stojatou vlnu lze vytvořit, pouze pokud je délka dráhy světla integrálním násobkem vlnové délky. Různé světelné paprsky sledují různé paralelní dráhy v rezonátoru, které následně musí mít všechny přesně stejnou délku. Geometricky vzato to u čtvercových rezonátorových prstenů není problém. U trojúhelníkových prstencových rezonátorů, jak je znázorněno na jednom obrázku, lze podmínku splnit, pouze pokud stojatá vlna prochází rezonátorem dvakrát, což není během provozu patrné. Mimochodem, požadavek, aby všechny světelné dráhy měly stejnou délku, znamená, že zrcadla musí být nastavena velmi přesně.
Obzvláště levná konstrukce nahrazuje obvod tvořený několika zrcadly skleněným vláknem mezi laserovou diodou a fotodiodou, které lze ke zvýšení přesnosti několikrát položit do kruhu. Tím se obchází problém přesného nastavení zrcátek.
Blokovací účinek
Zásadní problém nastává při nízkých rychlostech otáčení , tzv. Lock-in efektu : u každého zrcadla dochází nejen k odrazu a přenosu , ale také k rozptylu . Malá část rozptýleného světla je spojena v opačném směru otáčení.
Ve výsledku se obě laserové oscilace navzájem ovlivňují. Výsledkem je, že při rychlostech rotace pod prahovou hodnotou blokování mají obě laserové oscilace přesně stejnou frekvenci. Při vyšších rychlostech rotace je rozdílová frekvence stále menší, než se počítá podle výše uvedené teorie.
V zásadě by tato nelinearita nebyla problémem, pokud chcete měřit pouze rychlosti rotace nad prahovou hodnotu uzamčení - účinek můžete vypočítat. Prahová hodnota uzamčení však není konstantní, závisí na síle rozptylu a rozptyl je mimo jiné ovlivněn počtem prachových částic na zrcadlech. Kromě toho se vlny zpětně rozptýlené ze čtyř zrcadel navzájem rušily. V závislosti na fázi to vede k zesílení nebo zeslabení.
Výsledkem je, že zpětný rozptyl a tím účinek blokování jsou extrémně závislé na vzdálenosti mezi zrcátky. Musí být také velmi stabilní a postavené na základové desce s extrémně malou tepelnou roztažností. Kromě toho musí být teplota udržována velmi konstantní.
Aby se obešel účinek blokování, například v letecké technice je kompletní laserový gyroskop nastaven buď na rotaci při konstantní úhlové rychlosti ( technika zkreslení rychlosti ), nebo na chvějící se oscilaci ( dithering ). To znamená, že rotace se měří, i když je nosný systém v klidu a je vždy značně nad prahovou hodnotou pro zablokování.
Aplikace
Laserové gyroskopy se používají v leteckém a kosmickém průmyslu , ale také ve vojenských pozemních vozidlech a na námořních lodích jako navigační pomůcka a jsou většinou součástí inerciálního navigačního systému ( INS ). Pro trojrozměrné určení polohy jsou zapotřebí nejméně tři laserové gyroskopy, které jsou instalovány ve třech vzájemně kolmých rovinách. U civilních komerčních letadel se stále častěji kombinují s přijímači GPS , protože určité polohy jsou z dlouhodobého hlediska přesnější pomocí GPS a polohy jsou krátkodobě přesnější pomocí INS. Systémy se tak navzájem doplňují.
U vojenských letadel a civilních komerčních letadel jsou stále důležitá jako dodatečné zabezpečení pro případ, že by GPS (Global Positioning System) selhal nebo byl narušen. Ve vojenském sektoru je také výhodné, že laserový gyroskop nevyžaduje žádný náběhový čas jako mechanický gyroskop ( horní část kurzu , gyroskop ). Gyroskopy nebo gyroskopy jsou však často nadbytečné, protože fungují mechanicky, a proto si zachovávají své směrové informace i v případě výpadku proudu.
V soukromém letectví je člověk často spokojen s gyroskopy mechanických kurzů z důvodu nákladů.
Kruhové lasery se také používají v geodézii k měření rotační složky zemětřesení a ke kontinuálnímu měření zemské rotace . Zde se používá stacionární prstencový laser a je vyvíjeno úsilí k udržení konstantní prahové hodnoty pro blokování pomocí komplexní klimatizace .
V komerčních aplikacích se laserový gyroskop používá při měření potrubí nebo kamer na letadlech pro vzdušné měření objektů, jako jsou budovy nebo topologie krajiny ( LIDAR nebo ortofotogrammetrie) nebo pro přesnou navigaci vrtných souprav v oblasti horizontálního vrtání pod zemí (tzv. Č. -dig line konstrukce ).
Podvodní roboti jsou také navigováni pomocí laserových gyroskopů, když je vyžadována nejvyšší úroveň přesnosti pro autonomní mise po mnoho hodin nebo dnů.
webové odkazy
- Laserový gyroskop na základní stanici Wettzell
- Fotografie prstenového laseru geodetické observatoře Wettzell
Individuální důkazy
- ↑ Zhenfang Fan: Výzkum korekce zablokování pro mechanické gyroskopické laserové gyroskopy . In: Optické inženýrství . páska 50 , č. 3 , 1. března 2011, ISSN 0091-3286 , s. 034403 , doi : 10,1117 / 1,3554393 .