Создание мультичастотного твердотельного лазерного гироскопа

Важнейшей целью проекта является 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, активное подавление связи встречных волн, стабилизацию частоты генерации и другие методы. Основным направлением выполнения проекта в рамках поставленной задачи было проведение исследований и расчетов, направленных на создание 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+, полупроводниковый оптический усилитель на квантовых ямах и других, с учетом связи встречных волн через рассеяние излучения на элементах кольцевого лазера. Высокая стабильность двунаправленной генерации, незначительная величина связи встречных волн и, в результате, высокая точность в создаваемом твердотельном лазерном гироскопе обеспечивается за счет синхронизации продольных мод, использованию системы стабилизации периметра, новому 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), активная и пассивная минимизация связи встречных волн, использование частотной подставки и другие технологии. 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. Это способствует снижению уровня собственных шумов и 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, являются основой для создания сверхточного лазерного гироскопа. В ходе выполнения проекта был проведен комплекс 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. Изучен процесс фазирования мод при их синхронизации. В результате определены области параметров резонатора, обеспечивающие максимальное сокращение ширины спектральных линий мод и подавление шумов, а также области устойчивой синхронизации мод. Кроме того, определена степень подавления амплитудных и фазовых шумов в генерируемом излучении, связанных с флуктуациями длины резонатора при синхронизации мод. Модель двунаправленной многочастотной генерации строилась на основе волнового уравнения и материальных уравнений для матрицы плотности. При численном моделировании определена степень уменьшения связи встречных волн при двунаправленной генерации в многочастотном режиме при синхронизации мод в сравнении с двухчастотным, двунаправленным режимом генерации. 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 элементов резонатора, а также флуктуациях их параметров, в частности при смещениях и изменениях оптической силы тепловой и керровской линзы в активной среде. Для расчетов введена единая система координат для всего резонатора. Это позволяет решить вопросы, связанные с отклонением зеркал и луча по разным осям. Такой подход использован впервые. 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 или модулятора, в котором и происходило одновременное прохождение импульсов. Определены отклонения оптической оси для непланарного кольцевого резонатора, допускающие работу в режиме керровской синхронизации мод. 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 смесителя на выходном зеркале кольцевого лазера, путем измерения спектров с помощью радиотехнического спектроанализатора. Для выделения нужного сигнала биений использованы математические и радиотехнические методы. Созданный смеситель является новым и дает возможность детектирования сигнала биений встречных волн, обеспечивая повышенный уровень соотношения сигнал/шум для гироскопа. 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. В режиме синхронизации мод эта величина может быть значительно меньше. Проведено исследование особенностей работы кольцевого лазера в режиме биений. Определена величина зоны захвата и степень нелинейности выходной характеристики. В результате исследований создан мультичастотный лазерный гироскоп на YAG:Cr4+ с конфигурацией обеспечивающей устойчивую работу в режиме двунаправленной генерации и с накачкой волоконным лазером в режиме керровской синхронизации мод. Длительность генерируемых спектрально ограниченных импульсов составила 400 фс. При этом наблюдалось уменьшение флуктуаций как интенсивности и спектра генерируемого излучения, так и частоты биений встречных волн. 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 генерацию при определенном выборе величины внутрирезонаторной дисперсии групповой скорости. Определены области параметров компенсатора дисперсии групповой скорости, обеспечивающие устойчивость синхронизации мод. Создан лазерный гироскоп на основе полупроводникового оптического усилителя на квантовых ямах и волоконного резонатора сверх большой длины с использованием волокна с сохранением поляризации. Для синхронизации мод использована модуляция тока накачки полупроводникового оптического усилителя. На установке проведено изучение особенностей синхронизации мод в лазерах со сверхдлинным резонатором (~870 м). Благодаря синхронизации мод наблюдалось сокращение ширины линии генерации продольных мод и улучшение точности гироскопа в многочастотном режиме генерации. В целом, проведенные исследования привели к созданию мультичастотного твердотельного лазерного гироскопа и показали перспективность достижения в таком гироскопе точности, обеспечивающей их применение в навигации.