Создание мультичастотного твердотельного лазерного гироскопа (2 этап промежуточный)

Проект направлен на создание мультичастотного твердотельного лазерного гироскопа навигационной точности, основываясь на решениях ряда фундаментальных задач, результаты которых позволят уменьшить конкуренцию встречных волн, связанную с однородным уширением линии усиления активной среды, и, кроме того, существенно увеличить точность, используя синхронизацию продольных мод. Основной задачей второго года выполнения проекта в рамках поставленных целей было проведение исследований и расчетов, направленных на создание и модернизацию экспериментальной установки, а также развитие теории нелинейной динамики при синхронизации продольных мод для двунаправленной мультичастотной генерации в кольцевых фемтосекундных лазерах на широкополосных активных твердотельных средах, таких как YAG:Cr4+, Al2O3:Ti3+, полупроводниковый оптический усилитель на квантовых ямах, волокно, активированное иттербием, с учетом связи встречных волн через рассеяние излучения на элементах кольцевого лазера. Стабильность двунаправленной генерации, незначительная величина связи встречных волн и, в результате, высокая точность в создаваемом твердотельном лазерном гироскопе должна обеспечиваться за счет синхронизации продольных мод, новой системы регулирования периметра на основе стабилизации частоты межмодовых интервалов, широкополосному оптическому смесителю с линией задержки и ряда технологий, разработанных для He-Ne лазерных гироскопов, таких как изготовление диэлектрических зеркал с малым рассеянием (благодаря шероховатости подложек зеркал <1 Å), стабилизация длины периметра по линии атомного переход, активная и пассивная минимизация связи встречных волн, использование магнитооптической подставки и др. При синхронизации продольных мод большое количество независимо генерируемых продольных мод синхронизируются по фазе, что уменьшает влияние возмущений и приводит к сужению спектра отдельной моды, пропорциональному количеству синхронизированных мод, что способствует снижению уровня собственных шумов и, таким образом, повышению предела чувствительности и точности лазерного гирометра. С другой стороны при синхронизации мод в лазерах на широкополосных активных средах (~100 ТГц) происходит генерация фемтосекундных импульсов, поэтому фемтосекундные кольцевые лазеры, в которых генерируется большое количество синхронизированных продольных мод на основе керровской нелинейности, могут послужить основой для создания сверхточного лазерного гироскопа. В ходе выполнения второго этапа проекта был проведен ряд исследований и получены следующие результаты. Проведено моделирование двунаправленной генерации встречных волн в многочастотном режиме с учетом связи встречных волн за счет рассеяния на элементах резонатора кольцевого лазера, а также с учетом дисперсии оптических элементов в резонаторе. В результате определены области параметров резонатора, обеспечивающие максимальное сокращение ширины спектральных линий мод и подавление шумов, а также области устойчивой синхронизации мод. Модель двунаправленной многочастотной генерации строилась на основе волнового уравнения и материальных уравнений для матрицы плотности. Выполнены расчеты многочастотной генерации как в случае синхронизации мод, так и с несинхронизированными модами. Определены области параметров кольцевого лазера при работе в стохастических и регулярных режимах двунаправленной генерации. Разработаны оптимальные математические методы, обеспечивающие численное моделирование на основе теоретической модели динамики генерации. Рассчитана оптическая схема резонатора, обеспечивающая минимальные смещения оптической оси генерируемого излучения при возмущениях положения оптических элементов резонатора, а также флуктуациях их оптических параметров, в частности при смещениях и изменениях оптической силы тепловой и керровской линзы в активной среде. При расчете учитывалась необходимость сильной фокусировки в активной среде. Также обеспечивалось создание условий для генерации встречных импульсов, одновременно не проходящих активную среду. Это достигалось за счет установки второй диафрагмы либо модулятора, в котором и происходило одновременное прохождение импульсов. Создан широкополосный оптический смеситель, обеспечивающий регистрацию сигнала биений встречных пучков на выходе мультичастотного кольцевого лазера, работающего в режиме синхронизации мод. Благодаря оптической задержке в смесителе, на фотоприемнике совмещаются два встречных импульса в один момент времени, приводя к регистрации фотоприемником биений встречных волн. Проведено измерение частоты сигнала биений встречных волн без оптического смесителя по амплитудной модуляции каждой из встречных волн, приводящей к появлению боковых полос в спектре сигналов биений продольных мод. Выполнено измерение сигнала вращения для мультичастотного лазерного гироскопа по сигналам с фотоприемников установленных или на выходе оптического смесителя, или без оптического смесителя на выходном зеркале кольцевого лазера, путем измерения спектров с помощью радиотехнического спектроанализатора. Для выделения нужного сигнала биений использованы математические и радиотехнические методы. Проведена оценка предельной точности, ограниченной спонтанными переходами и техническими факторами для мультичастотного твердотельного лазерного гироскопа. Показано, что случайный дрейф в гироскопе может быть менее 0.0001-0.001 градуса в час. Причем в режиме синхронизации мод эта величина может быть существенно уменьшена. Проведено исследование особенностей работы кольцевого лазера в режиме биений. Определена величина зоны захвата и величины нелинейности выходной характеристики. Для смещения рабочей точки в линейную область выходной характеристики проведены исследования с использованием акустооптического и электрооптического модуляторов. В результате проведенных исследований, расчетов и модернизации создан кольцевой лазер на YAG:Cr4+ с наилучшей конфигурацией, работающий в режиме двунаправленной генерации и с накачкой волоконным лазером. Также проведена оптимизация кольцевого лазера с полупроводниковым оптическим усилителем на квантовых ямах и волоконным резонатором. Получены оптимальные параметры кольцевого лазера на основе проведенных расчетов с данными, полученными на экспериментальных установках. Проведены экспериментальные исследования особенностей двунаправленной генерации и синхронизации мод в кольцевом лазере, а также сигнала биений на выходе широкополосного оптического смесителя. Показано, что созданный мультичастотный твердотельный лазерный гироскоп обеспечивает стабильную двунаправленную генерации при определенном выборе величины внутрирезонаторной дисперсии групповой скорости. Определены области параметров компенсатора дисперсии групповой скорости, обеспечивающие устойчивость синхронизации мод. В целом, проведенные исследования привели к созданию ряда мультичастотных твердотельных лазерных гироскопов на основе различных активных сред и показали перспективность достижения в таких гироскопах точности, обеспечивающей их применение в навигации.