автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Высокодобротный призменный резонатор кольцевого лазера малогабаритного лазерного гироскопа

на правах рукописи УДК 535.14

Воронина Елена Анатольевна

ВЫСОКОДОБРОТНЫЙ ПРИЗМЕННЫЙ РЕЗОНАТОР

КОЛЬЦЕВОГО ЛАЗЕРА МАЛОГАБАРИТНОГО ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА.

Специальности 05.27.03 «Квантовая электроника»

05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

2004

Работа выполнена в ФГУП «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха», Москва

Научный руководитель:

доктор технических наук

Курятов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук _

Васильев Игорь Васильевич

кандидат физико-математических наук, доцент

Гришачев Владимир Васильевич

Ведущая организация: Московский энергетический институт

(Технический университет)

Защита состоится «10» июня 2004 г. в 15-00 на заседании диссертационного совета Д.409.003.01 в ФГУП «НИИ «ПОЛЮС» им. М. Ф. Стельмаха»

по адресу: 117 342, Москва, ул. Введенского, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «НИИ «ПОЛЮС» им. М. Ф. Стельмаха»

Автореферат разослан « 7 » мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

У

/м

мззмз

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 КЛ, таких, как гироскопы, газоанализаторы и многих других. Одним из наиболее перспективных направлений является создание малогабаритных высокоточных гироскопов с большим сроком службы для инерциальных 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 (ЛГ) 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 деградационные процессы.

По точностным характеристикам: Во-первых, уменьшается сдвиг нуля выходной характеристики прибора, обусловленный динамикой тепловых потоков в активной среде. Причиной тепловых 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.

рос. нелокальная

ВИР ■ )Тр«А СХмсрбург 2006 рк

В этой связи призменные 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 обладает 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 дБ/км [1]. Потери 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. Последние, в свою очередь, обусловлены несовпадением радиусов кривизны волновых фронтов и поверхностей призм, а также двулучепреломлением в напряженно-деформированных областях материала призм, создаваемых закреплением. В ходе проведенных исследований были разработаны технологические и конструктивные пути снижения влияния перечисленных факторов.

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

- создание высокодобротного призменного 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, снижение 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 материале резонаторных призм:

1. изготовлен и исследован трехпризменный резона-

тор, 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;

• метод подавления генерации на конкурирующих переходах атомов неона путем выбора на одной из призм резона-

тора угла полного внутреннего отражения, близкого к критической величине, что обеспечивает хорошую селективность резонатора по длинам волн в рабочем 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 четырехпризменном резонаторе прибора типа КМ-11. При этом средняя величина оптических потерь на одной призме уменьшилась с 5,9 * 10"3 % до 4,4 * 10"3 %.

2. Применение разработанного технологического процесса

восстановления радиационной оптической устойчивости (РОУ) кварцевого стекла марки КУ-1 позволило восстановить РОУ ма-

териала резонаторных призм, нарушенную при его изготовлении в процессе парофазного синтеза.

3. Применение разработанной методики измерения поляризационных потерь на отражение излучения в призменном резонаторе позволяет контролировать оптические потери в процессе сборки резонатора с точностью

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

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные автором конструктивные и технологические решения открывают возможность применения высокодобротного 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.

г

3. Технологический 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 трехпризменной конструкции резонатора позволяет существенно уменьшить поляризационные по-

тери на отражение от резонаторных поверхностей, влияющие на точностные характеристики лазерного гироскопа, и приблизить соотношение р- и э-компоненты излучения, отраженного при падении на резонаторные поверхности под углом Брюстера, к минимальной величине, обусловленной отражением от пленки Дру-де.

5. Метод селекции длин волн, основанный на выборе величины угла полного внутреннего отражения для одной из резонаторных призм, позволяет использовать в конструкции трехпризменного резонатора недисперсионные 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 "Полюс" им. М.Ф. 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 работы - 157 е., в том числе 34 рис.; список литературы содержит 41 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обосновывает- ' ся ее актуальность, приведены научные положения, выносимые на защиту, дана общая характеристика работы.

Глава 1. посвящена разработке технологических путей повышения добротности призменного резонатора, целью которой являлось снижение оптических потерь на поверхностях призм и в материале их изготовления (кварцевом стекле марки КУ-1).

В §1.1 предложен высокотемпературный отжиг призм в атмосферной среде как технологический способ снижения оптических потерь на поверхностях призм и дано его обоснование. Приведены результаты исследования нарушения радиационной оптической устойчивости (РОУ) материала призм при проведении отжига в атмосфере, дано объяснение этого явления и описание разработанного технологического процесса восстановления оптических свойств материала.

В ходе исследований была обнаружена зависимость уменьшения оптических потерь на призмах от времени их нахождения в атмосферных условиях. Из рассуждений следует, что это результат окислительных процессов в поверхностных слоях призм, содержащих ионы щелочных металлов, внедренных полировкой шлифпорошками, а также релаксации остаточных натяжений, создаваемых механической обработкой при изготовлении. Чтобы воспроизвести эти процессы технологически, призмы были отожжены в атмосферной среде при температуре 1050° С. В результате, потери уменьшились, но материал призм, изначально обладавший радиационной оптической устойчивостью, утратил ее в результате отжига.

Деградация радиационно-неустойчивого материала призм диагностировалась под действием ультрафиолетового излучения высокочастотного разряда в кислороде. Возникшие при этом области люминесценции с длиной волны 0,65 мкм наблюдались в луче генерации 0,63 мкм [2]. Под воздействием малых доз облучения в спектре пропускания деградировавшего материала появлялась линия поглощения с центром на длине волны 0,25 мкм. Многочасовое облучение приводило к отсутствию пропускания на длине волны 0,63 мкм. Результаты исследования люминесценции согласуются со структурной моделью радиационного центра, который представляет собой электрон немостикового атома кислорода, захваченный на 8р3-гибридной орбите атома кремния, три другие орбиты которого образуют связи с соседними атомами кислорода [3,4,5,6,7]. На основании наблюдений был сделан вывод, что причиной нарушения радиационной оптической устойчивости явилась диффузия кислорода при проведении отжига в атмосферной среде.

Согласно принятой модели явления был найден способ нейтрализации радиационных центров. При отжиге в водородной среде диффундировавший водород "связывает" вакантные электроны немостиковых атомов кислорода с образованием гидро-ксильных групп ОН [8]. Исследования показали, что режим отжига должен обеспечить прохождение диффузии водорода на всю глубину материала, не допуская превышения его содержания, т.к. это увеличивает потери. По результатам исследований оптимальная температура отжига составила 600°С, а продолжительность 2 часа с учетом осредненной толщины призмы 4,5 мм. Исследования показали, что разработанный технологический процесс восстанавливает радиационную оптическую устойчивость и обеспечивает требуемый коэффициент пропускания кварцевого стекла для рабочей длины волны 0,63 мкм.

В §1.2 дано описание разработанной экспериментальной установки и методики измерения оптических потерь на исследуемых призмах. Предложен способ термовакуумной обработки призм, позволяющий снизить оптические потери на 1/4 от исходной величины.

Оптическая схема экспериментальной установки (рис.1 (а)) для контроля величины оптических потерь аналогична применяемой в штатном приборе. Резонатор образован четырьмя призмами полного внутреннего отражения. Одна пара призм герметизирует активный канал первого моноблока, в котором инициируется высокочастотный разряд. Другая пара призм, одна из которых исследуемая, установлена на втором моноблоке. Контрольным параметром служит интенсивность излучения, отраженного от преломляющей грани одной из призм активного канала. Чтобы увеличить долю рабочей р-компоненты в отраженном луче, на эту грань нанесено диэлектрическое покрытие. Оптические потери на исследуемой призме определяются по контрольному параметру в соответствии с известной градуировочной кривой.

Согласно результатам исследований, приведенных в § 1.1, причиной нарушения радиационной оптической устойчивости материала призм, может являться диффузия кислорода при проведении отжига в кислородосодержащей среде[2]. Поэтому, чтобы уменьшить оптические потери на поверхностях призМ и избежать при этом нарушения радиационной оптической устойчивости материала, было предложено отжиг и окисление поверхностей провести как два отдельных процесса.

На диаграмме (рис. 1(6)) представлены результаты измерений контрольной интенсивности в процессе термовакуумной обработки четырех исследуемых образцов призм. После двухчасового отжига при температуре 750° С в среде неона потери на

у й

1,2 - ситалловые блоки ; 3,4 - призмы ПВО ;

5 - призма ПВО с диэлектрическим

покрытием для вывода излучения ;

6 - исследуемая призма ПВО ;

7 - канал с активной средой ;

8 - разрядный канал с выходом

к системе оггкачки и наполнения ;

9 - фотоприемное устройство.

4 2 8 6

Рис.1 (а) Блок-схема экспериментальной установки контроля оптических потерь на исследуемых призмах.

1 - исходные значения ;

2 - отжиг в среде неона ( 2часа, г = 750° С ) ;

3 - обработка ВЧ разрядом в форвакууме ( 1,5часа ) ;

4 - дополнительная ВЧ обработка ( 1 час ) ;

5 - 50 % раствор НС1 (г — 80° С ) ;

6 - ВЧ обработка в форвакууме ( 1 час ) ;

7 - повторная ВЧ обработка ( 1 час) с последующим

мытьем ацетоном и нагревом в пламени.

Рис.1 (б) Диаграмма измерений контрольной интенсивности в процессе термовакуумной обработки призм.

каждой из них возросли на столько, что привели к срыву генерации. Последующая обработка призм ВЧ разрядом в среде атмосферного кислорода (давление порядка 10"3 Па) не только восста- * новила, но и улучшила в среднем в 1,5 раза контрольные параметры по сравнению с исходными. Чтобы стабилизировать состояние окисленных поверхностей, призмы были вымыты в 50% растворе соляной кислоты при температуре 80° С [9]. Последующие химические и температурные воздействия существенных изменений не внесли. Из сравнения оптических потерь на исследуемых призмах до и после термовакуумной обработки следует, что разработанный процесс позволяет уменьшить потери на каждой из призм в среднем на 1/4 от исходной величины.

Глава 2. посвящена разработке конструктивных путей снижения поляризационных потерь в призменном резонаторе, обусловленных двумя причинами. Первая - это несовпадение радиусов кривизны волнового фронта и поверхностей призм, обусловленное оптической схемой резонатора. Второй причиной является способ закрепления призм, - это двулучепреломление в напряженно-деформированных участках материала призм около мест их закрепления, влияющее на эллиптичность проходящего излучения.

В §2.1 обосновывается выбор трехпризменной конструкции резонатора, рассматривается метод селекции длин волн и влияние температуры на селективность. В четырехпризменной конструкции из-за требований к температурным разъюстировкам уменьшение линейных размеров резонатора сопряжено с уменьшением фокусных расстояний призм, увеличением сферичности волнового фронта и связанных с этим поляризационных потерь на отражение. Поэтому был рассмотрен трехпризменный резонатор, преимущество которого в том, что он позволяет при достаточно

плоском волновом фронте уменьшить линейные размеры и сохраняет при этом устойчивость [10,11,12].

В отличие от четырехпризменного резонатора он обладает также большей термоустойчивостью [13], т.к. образован недисперсионными призмами полного внутреннего отражения. Селекция длин волн осуществляется выбором угла полного внутреннего отражения на первой призме, который больше предельного угла для рабочей длины волны 0,63 мкм и меньше предельного для конкурирующей 1,15 мкм. Диапазон допустимых величин достаточно большой и составляет 30 угл. минут в нормальных климатических условиях, на двух других призмах условие полного внутреннего отражения выполняется с большим запасом.

При температурных разъюстировках контур сохраняет форму равнобедренного треугольника, расширяясь с ростом температуры за счет параллельного смещения сторон (рис. 2). Изменяются только углы отражения и преломления в призмах. Условие полного внутреннего отражения в рабочем диапазоне температур от 193 К до 363 К выполняется с большим запасом для рабочей длины волны 0,63 мкм и не выполняется для конкурирующей 1,15 мкм. Важным критерием является смещение оси в активном плече (в основании треугольника мнимого контура), которое линейно зависит от изменения температуры и в рабочем диапазоне температур составляет малую величину порядка 3,5 мкм.

По сравнению с четырехпризменной конструкцией оптические потери уменьшаются также за счет уменьшения числа оптических поверхностей (с 12 до 9) и расстояния, проходимого лучом в материале призм (с 51 мм до 28 мм). Согласно литературным данным для кварцевого стекла КУ-1 потери составляют 1,6* 10"3 %/см [1]. Следовательно, в четырех- и трех- призменном

для А.= 0,63 мкм лТ = Т - 273 К 61(Т) = в1-4,7 Ю"6аТ

-Р=#

в пред 43,33 43,675 43,87 (273 К) (0,63 мкм)_(1,15 мкм)

Т. к 213 293 363

Л,= 0,63 мкм 0 пред е°1 9*1 -в "пред Д X акт, мкм 43,3552 43,5643 12,5 -1,6 43,3249 43,5844 18,3 0 43,2984 43,6032 18,3 1.4

Хт 1,15 мкм ©пред 9 1 в 9 1 —в пред А X акт, мкм 43,6699 43,3405 -19,8 -18,9 43,6397 43,3621 -16,7 -16,84 43,6134 43,3809 -13,9 -15,4

дХакт = 2,О4"10"2дТ

дХпас = 1,8-10"2АТ

Рис. 2. Селекция длин волн и температурные разъюстировки в трехпризменном резонаторе.

резонаторе они составляют 8*10'3 % и 4,43*10"3 % соответственно.

В §2.2 рассматриваются оптические схемы трехпризмен-ного резонатора, проводится анализ их критичности к механическим разъюстировкам и обосновывается выбор конфигурации оптических поверхностей.

Рассматривались четыре варианта оптических схем с периметром резонатора 175 мм (в 2,5 раза меньше, чем в четырех-призменном резонаторе), но отличающихся конфигурацией поверхностей. При этом в каждом варианте условие устойчивости не содержит жестких ограничений по радиусам сферических поверхностей и можно получить достаточно большой объем моды в активном плече (основании треугольника мнимого контура) [13].

Как показал анализ критичности к механическим разъюстировкам, линейные смещения и угловые повороты призм вызывают изменение угла полного внутреннего отражения на призме в вершине контура, но допуски на них составляют несколько мм или угловых минут соответственно, что технологически легко обеспечить. Наиболее опасен наклон граней полного внутреннего отражения в сагиттальной плоскости приводящий к параллельному смещению плоскости контура на величину у. Если сравнить варианты схем по отношению у/8% [м / рад], то, как видно из таблицы, оно максимально в схеме Г, поэтому от нее отказались. Схема Б более устойчива в сагиттальной плоскости, но близка к границе устойчивости в меридиональной. В схеме А со сферой на отражающей поверхности астигматизм пучка больше, чем в схеме В со сферической преломляющей поверхностью. Поэтому была выбрана схема В с радиусом сферы 1000 мм. Такой радиус для заданного периметра резонатора обеспечивает требуемый объем моды, устойчивость к разъюстировкам, плоский

Я2<0

1*3 >0

•о •с

в ^

В Г

Ю>0

■с

%<о

И1 = И2 = 3 мм Н => 58,55 мм

Условие устойчивости: схема А Р2/Н>4,27 схема Б 1,71 <(Ю/Н)> 7.86-Я2 схема В |К1|/Н>0,56; <0 схема Г |Г*5|/Н>13,1

Рис. 3 Оптические схемы трехпризменного резонатора.

и? // \ // V/ Л01 АК1 (максимал -—► СТ АК1 / \\ 2 утл мин / мм эно для схемы А) 1ди <3> ф АР2 ч Ав1 =0 д02 -= 1,3угпмин/мм АК1 1 2,3 Я5 = -9м 5^у=-0,63углмин/ии (максимально для схемы Г)

бт| 1 01/ =1,053 \Г7 бцЗ ш 5г|2

Рис. 4. Критичность трсхпризмснного резонатора к механическим разъхостировкам.

волновой фронт и, обусловленные этим малые поляризационные потери.

В §2.3 рассматриваются результаты исследования методом акустооптической модуляции влияния способа закрепления призм на двулучепреломление в материале.

Существенной конструктивной причиной возникновения поляризационных потерь в резонаторе является напряженно-деформированное состояние материала в местах закрепления призм, влияющее на эллиптичность проходящего излучения. В четырехпризменной конструкции призмы устанавливаются на моноблоке оптической гранью и герметизируются паяным швом,

•30

/

£

-.Л

гоиама

ь

Xоснование

а) 1,2- призмы, установленные на оптический контакт 3 - призма, снятая с контакта

б) 1 - призма,за крепленная паяным швом ^ 2 - незакрепленная призма

И - расстояние от установочной грани призмы.

ф - разность набега фаз двух ортогонально поляризованных компонент излучения, вносимая исследуемым образцом.

Рис. 5 Характеристики двулучеггреломления в материале призм, создаваемого их закреплением.

создающим натяжения. Кроме того, имеет место связь между призмой и моноблоком из-за различия коэффициентов температурного расширения. При отрицательных температурах связь усиливается из-за роста прочностных характеристик материала шва и моноблока.

Есть возможность удалить генерационные зоны от напряженно-деформированных участков материала, если установить призмы на грань, не являющуюся рабочей. Влияние способа закрепления на двулучепреломление в материале было экспериментально исследовано методом акустооптической модуляции [14] на установке, представленной на рис. 5. Характеристикой двулуче-преломления являлась разность набега фаз ф двух ортогонально поляризованных компонент излучения, вносимой исследуемым образцом. Сравнивались два способа закрепления: установкой на оптический контакт и паяным швом. Из графиков (рис. 5 (а)) видно, что при установке на оптический контакт двулучепреломление достигает минимума, близкого к нулю, на расстоянии 10 мм от установочной грани. С учетом этого требования был изготовлен и собран на ситалловой пластине трехпризменный резонатор (рис. 6), установочные грани призм которого не являются рабочими.

Глава 3. Содержит результаты исследования и сравнительный анализ поляризационных потерь в четырех- и трехприз-менном резонаторе.

В §3.1 приводится методика исследования поляризационных потерь на отражение в призменных резонаторах.

Чтобы исследовать поляризационные потери в сравниваемых типах резонаторов были проведены измерения интенсивности лучей, отраженных от преломляющих граней призм, распо

ГРУ - газоразрядный узел

ГВЧ - генератор высокой частотах

П - поляроид

ФП - фотоприемное устройство.

ш И П1

Рис. 6 Блок-схемы экспериментальных установок для измерения интенсивности лучей, отраженных от преломляющих граней призм четырех-и трехпризменного резонатора.

ложенных под углом Брюстера к падающему излучению [15]. Интенсивность отраженного излучения как фактор его эллиптичности зависит от способа закрепления призм, создающего двулуче-преломление в материале, и от сферичности волнового фронта, обусловленной конфигурацией оптических поверхностей. Поэтому чтобы сделать возможным сравнение по поляризационным потерям, для измерений был выбран четырехпризменный резонатор, содержащий 4 сферические преломляющие грани метрового радиуса (по одной на каждой призме) и трехпризменный резонатор с одной такой гранью. Таким образом, в обоих резонаторах волновые фронты достаточно плоские, что выравнивает и сводит к минимуму влияние их кривизны на поляризационные потери при отражении, как от поверхностей призм, так и от окошек газоразрядной трубки, и делает возможным сравнительный анализ.

Измеряемая р- или я-компонента излучения выделяется вращением поляроида, установленного перед фотоприемником. Нестабильность внешних факторов, влияющих на точность измерений, меньше сказывается в многомодовом режиме (по поперечным модам без ограничения по апертуре) при больших мощностях накачки. Поэтому измерение интенсивности проводилось при мощности накачки, соответствующей превышению 500% над пороговой мощностью.

Так как в трехпризменном резонаторе угол падения на одну из граней призм меньше фвр на 1°, что по расчетам обеспечивает отражение р-компоненты 0,0093 %, то, зная интенсивность луча, отраженного от этой грани 1рь можно найти потери на отражение от другой грани из соотношения:

ае поляриз (%)= (0,0093 / 1Р0 • 1изМ , где 1шм - измеренное значение интенсивности отраженного луча.

§3.2 содержит сравнительный анализ трех- и четырех-призменного резонатора по поляризационным потерям на отражение .

р-компонента ^поляриз (У0) ^рз среднее

-' □ -4 3,4 10 1,84-Ю"4 22-104 5,6-10"4 З^б-ю"4

А 93-ю"4 1,34 -Ю"4 1,84-10"4 2,6 Ю*4 1,93-Ю"4

з-компонента ^поляриэ (%) ОСа2 ^34 среднее

□ 1,78 10"4 17-Ю"4 16,8 Ю*4 11Д10"4 11,7104

д 1,46-1 0,62-10"4 5,8 10"4 2,8 Ю*4 2,67-Ю"4

Табл. 1 Результаты измерения потерь на отражение р-иэ-компоненты в четырех- и трехпризменном резонаторах.

В таблице 1 приведены результаты измерения потерь на отражение р- и э-компоненты. Учитывая симметрию резонаторов, суммарные поляризационные потери для четырехпризменной конструкции составляют 11,96*10"3 %, что в 4 раза больше, чем для трехпризменной (2,96*10"3 %). По средней величине поляризационные потери на одной преломляющей грани отличаются в 3 раза и составляют 1,5*10'3 % и 0,5*1 О*3 % для четырех- и трех-, призменной конструкции соответственно.

Важно отметить, что потери на отражение е- компоненты в четырехпризменном резонаторе составляют 93,4 -10"4 % (78 % от суммарных поляризационных потерь в этом резонаторе), в то время как в трехпризменном только 18 -10"4 % (58 % соответст-

венно). Такая значительная разница (более чем в 4 раза по абсолютной величине) объясняется большей кривизной волнового фронта на плоских преломляющих поверхностях призм, и, в основном, большей анизотропией резонатора моноблочного прибора за счет больших напряжений в призмах.

Для р-компонент разница не так разительна: в расчёте на одну преломляющую поверхность потери отличаются в 1,7 раза и составляют 3,26-Ю"4 % и 1,93-10"4 % соответственно для четырёх -и трёхпризменного резонатора. Р-компонента при отражении от преломляющей грани возникает во-первых, из-за кривизны волнового фронта, и во-вторых, из-за наличия переходного слоя на границе раздела двух сред - кварца и воздуха (т.н. пленка Друде). Согласно опубликованным экспериментальным данным при угле падения, равном углу Брюстера, вектор Ер для отраженной р-компоненты излучения в ноль не обращается, отраженный свет оказывается эллиптически поляризованным. Величина соотношения р- и з-компоненты отраженного излучения р = | Ер| / | Е3| для случая отражения от поверхности чистых жидкостей, где исключены погрешности, возникающие за счет механической обработки, не опускается ниже 10 ~3.

Соотношение р- и э-компоненты излучения, отраженного от преломляющей грани призмы трёхпризменного резонатора, можно найти из соотношения интенсивностей отраженных компонент:

р = (I Ер| 2/| Е5|2) ш = 3,9-10 ~3,

что по порядку величины соответствует отражению от пленки Друде.

Таким образом, рассмотренная трехпризменная конструкция резонатора по сравнению с четырехпризменной позволяет более чем в 2,2 раза снизить оптические потери в резонаторе на

отражение рабочей р-компоненты, что связано с меньшей кривизной волнового фронта.

В главе 4 рассматриваются пути реализации трехпризмен-ного резонатора в конструкции кольцевого лазера с учетом разработанных конструктивных решений.

В §4.1 проводится сравнительный анализ известных моноблочных конструкций кольцевых лазеров с трехпризменными резонаторами [16,17,18,19].

К основным особенностям и недостаткам рассмотренных моноблочных конструкций можно отнести следующие:

1.Селекция длин волн в резонаторе. В конструкциях с недисперсионными призмами резонатор замкнут для длин волн 0,63 мкм. 1,15 мкм. 3,39 мкм. Если для обеспечения селективности одна из резонаторных призм выполнена дисперсионной, то повышается критичность резонатора к температурным разъюстировкам

2.Крепление призм резонатора. Во всех рассматриваемых вариантах конструкций призмы крепятся к моноблоку одной из рабочих граней, что создает механические напряжения в зонах прохождения генерационного луча и связанные с ними поляризационные потери.

3.Вывод излучения из резонатора путем частичного нарушения условия полного внутреннего отражения для рабочей длины волны. Для обеспечения вывода требуемого количества энергии из резонатора требуется высокая точность изготовления выводной призмы и ее установки, что снижает технологичность конструкции.

4.Герметизация узлов конструкции. Для обеспечения герметичности вакуумного объема, заполненного активной средой, и защиты оптических элементов от воздействия внешних факторов применяются паяные и клеевые соединения. Они достаточно протяженны и подвержены воздействию внешних факторов (температура и влажность воздуха).

В §4.2 рассматривается кольцевой лазер планарной конструкции [20] как один из примеров реализации трехпризменного резонатора с закреплением призм на оптическом контакте и селекцией длин волн, осуществляемой выбором угла полного внутреннего отражения, что выгодно отличает его от моноблочных аналогов.

Характерной особенностью рассматриваемой призменной конструкции кольцевого лазера является то, что резонаторные элементы, узел сведения излучения, закрепленные на ситалловой пластине основания, и газоразрядный узел размещены в вакуумно плотном корпусе (рис. 7). Для вывода рабочей р-компоненты излучения одна из преломляющих граней резонаторной призмы отклонена от угла Брюстера на 1° в меньшую сторону. Узел сведения отраженных от нее лучей состоит из двух призм: первая призма поворачивает один из лучей на 180°, а вторая, представляющая собой клиновидную пластину, смещает другой отраженный луч до сведения с первым на дифрагирующем ребре этой пластины. Перестройка периметра резонатора осуществляется

гЬ / \ Ь

1 - призмы резонатора

2 - диафрагмы

3 - узел сведения выведенных лучей

4 - газоразрядный узел

5 - пластина основания (ситапл)

6 - узел регулировки периметра

7 - корпус

Рис. 1 Кольцевой лазер с трехпризменным

резонатором.

при механическом воздействии на прорези в ситалловом основании, приводящем к его деформации в плоскости контура и изменению расстояния между резонаторными призмами.

В §4.3 приведены результаты экспериментального исследования контура усиления излучения кольцевого лазера с трех-призменным резонатором.

Важным условием успешного применения лазеров в гиро-скопии является высокий уровень стабильности частоты излучения. В случае двухизотопной смеси в гелий-неоновом лазере стабилизация частоты осуществляется по вершине доплеровского контура усиления, когда модуляцией длины резонатора с частотой О. обеспечивается девиация частоты лазера 6 и модуляция интенсивности излучения лазера. Сдвиг частоты и связанная с ним погрешность ее воспроизведения зависит от глубины модуляции интенсивности излучения т, которая тем меньше, чем более плоской является вершина контура усиления [21].

Форму контура усиления трехпризменного кольцевого лазера, представленного на рис. 7, можно характеризовать превышением мощности накачки над порогом генерации, при котором в минимуме контура усиления амплитуда сигнала разностной частоты равна измеренной в вершине контура (в центре продольной моды). Превышение рассчитывается по формуле:

Цш = (Рр„6-Рпор)/(Рпор -Р„ог.с)*100%,

где Рп о г а с - мощность на входе генератора накачки, при которой гаснет разряд, РрабиРПор - рабочая и пороговая мощность накачки соответственно. В рассматриваемом случае вели-

чина превышения в минимуме контура составляет 26 %. Проведя аналогичный расчет для центра продольной моды, получаем 24 %. Это является хорошим показателем и говорит о сглаженной форме контура усиления, что должно обеспечить малую глубину модуляции интенсивности излучения и вызванный возмущениями малый сдвиг частоты при работе системы стабилизации.

В §4.4 дано описание методик и экспериментальных установок для измерения величины области нечувствительности (захвата) экспериментального образца кольцевого лазера с трех-призменным резонатором (рис. 7), приведены основные результаты.

Измерения величины области захвата проводились двумя способами: с помощью виброподвеса и поворотной плиты.

Измерение захвата, когда расщепление частот встречных волн создавалось колебаниями виброподвеса, проводились в условиях, приближенных к точностным испытаниям приборов типа КМ-11. Поэтому полученный результат 500 Гц является приближенным, его можно рассматривать как верхний предел величины области захвата. Для его уточнения была измерена величина области захвата, наблюдаемого при вращении поворотной'плиты с установленным на ней экспериментальным прибором. В максимуме контура усиления эта величина составила 388 Гц.

Приближенно величина области захвата определяется коэффициентом рассеяния ц и периметром резонатора Ь.

О = (Л р/Ь

Если для приборов типа КМ-11 захват По не превышает 160 Гц, то при той же величине ц его предельное значение ОД для трехпризменного прибора можно найти из соотношения ПД /0.о = Ьо /ЬД, отсюда ОД = 400 Гц, что согласуется с результатами измерений.

Основные результаты и выводы

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

2.Показано, что технологический процесс термовакуумной обработки резонаторных призм позволяет уменьшить оптические потери на поверхностях в среднем на 1/4 от исходной величины.

3.Установлена причина нарушения радиационной оптической устойчивости материала изготовления призм (кварцевого стекла марки КУ-1) и показано, что разработанный технологический процесс ее восстановления обеспечивает требуемый коэффициент пропускания материала для длины волны 0,63 мкм и его устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения.

4.Создан высокодобротный призменный резонатор с малыми поляризационными потерями. Показано, что применение трехпризменного резонатора с закреплением призм на оптическом контакте позволяет по сравнению с известной четырехприз-менной конструкцией:

- сформировать резонатор из недисперсионных призм с селекцией длин волн по углу полного внутреннего отражения, что обеспечивает большую термоустойчивость резонатора.

- уменьшить периметр резонатора в 2,7 раза. При этом на одну четверть уменьшаются оптические потери на поверхностях за счет их меньшего числа, и в 1,8 раз уменьшаются потери в материале за счет меньшего расстояния, проходимого лучом в материале призм. ■

- в 4 раза уменьшить суммарные поляризационные потери в резонаторе (до значения 2,96*10"3%) и в 3 раза на

л

одной преломляющей грани (до значения 0,5* 10' %).

- в 1,7 раза уменьшить потери на отражение рабочей р-компоненты излучения от одной преломляющей грани (до значения 1,93-10"4 %), и приблизить соотношение р- и в-компоненты излучения, отраженного при падении на резонатор-ные поверхности под углом Брюстера к минимальной величине, обусловленной отражением от пленки Друде.

Список цитируемой литературы.

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

2. Воронина Е.А., Курятов В.Н. Радиационная оптическая устойчивость кварцевого стекла - Научное приборостроение, 2001,11, №1,39-45.

3.Friebele E.J., GriscomD.L., Marrone M.J.. The optical absorption and luminescence bands near 2 eV irradiated and drown synthetic silica// J. Non-Crystalline Solids, 1985, V.71, P.133.

4.Kannan S., Li J., Lehman R.L., Sigel G.H.. Excimer-laser-induced spatially variant luminescence in pure-silica core fibers with fluorine-doped silica cladding // Applied Optics, 1993, V.32, № 33,P.66

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

6.Бюргановская Г.В., Варгин B.B., Леко H.A., Орлов Н.Ф. Действие излучений на неорганические стекла. М.: Атомиздат, 1968г. 244с.

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

8.Бреховских С.М., Тюльнин В.А. Радиационные центры в неорганических стеклах. М., Энергоатомиздат, 1983г. 200 с.

9. Научно-технический отчет в МИННАУКИ России по гос. контракту № 40.032.11.49 от 15.09.03 г., ФГУП "НИИ "Полюс"", рук. работы - д.т.н. Курятов В.Н.

10. Ищенко Е.Ф. "Открытые оптические резонаторы". М. :Сов. Радио, 1980. 207 стр.

11. Ищенко Е. Ф., Рамазанова Г. С., Семенов Б. Н. "Элементы расчета и проектирования лазерных систем". (Под. Ред. Е. Ф. Ищенко. -М.: Моск. Энерг. Ин-т, 1988. - 76 стр.)

12. "Исследование призменных резонаторов", Отчет о НИР МЭИ, Рук. работы - Ищенко Е. Ф.; ЫГР У66633; N Е74588; Москва, 1991.

13. "Исследование схем специальных резонаторов", Отчет о НИР МЭИ по теме № 2321910, гос. рег. № У71229; Москва, 1992 г.

14. Индисов В.О., Курятов В.Н., Семенов Б.Н., Соколов И.Л., Фофанов Я.А. Оптика и спектроскопия, том 75, вып.2, 1993.

15. Воронина Е.А., Курятов В.Н., Соколов А.Л. Приз-менный кольцевой резонатор с малыми поляризационными потерями - Квантовая электроника, 2002, 32, №3, 235 - 238.

16. Заявка № 1.252.952 от 17,.04.69 " Лазер". Англия, кл.Н1С.

17. Авт. свид. №108.048

18. Авт. свид. № 125.796

19. Авт. свид. № 112.653

20. Патент на изобретение № 2188488.(Кольцевой лазер). Официальный бюллетень Роспатента "Изобретения. Полезные модели." № 24 от 27.08.2002 г.

21. В.Е. Привалов. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л., "Судостроение", 1989 г.,260 стр.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воронина Е.А., Курятов В.Н. Радиационная оптическая устойчивость кварцевого стекла - Научное приборостроение, 2001, И, № 1,39-45.

2. Воронина Е.А., Курятов В.Н., Соколов A.J1. Призменный кольцевой резонатор с малыми поляризационными потерями - Квантовая электроника, 2002,32, №3,235 - 238.

3. Патент на изобретение № 2188488.(Кольцевой лаГ * зер). Официальный бюллетень Роспатента "Изобретения. Полез> ные модели." № 24 от 27.08.2002 г.

* а

« » 4. Научно-технический отчет в МИННАУКИ России по ^ гос. контракту № 40.032.11.49 от 15.09.03 г., ФГУП "НИИ "По- люс"", рук. работы - д.т.н. Курятов В.Н.

РЫБ Русский фонд

2006-4 128

Л.*4

1 %:

17" "00/ \ ^ ' ' . ¿„и* \

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.

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

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.

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.