Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазерный гироскоп (фотонный гироскоп) - квантовый гироскоп ,чувствительным элементом к-рого является кольцевой лазер, генерирующий 2 встречные волны. Действие Л. г. основано на зависимости разности собств. частот кольцевого оптического резонатора для встречных волн от скорости его вращения относительно инерциальной системы отсчёта. В отличие от волоконно-оптического гироскопа, регистрирующего угл. скорость вращения, Л. г. позволяет определять изменение угла поворота.

Рис. 1. Принципиальная схема лазерного гироскопа: З_t-З₃ - зеркала; А - активная среда; З₄, З₅ - зеркала смесителя встречзых волн (З₆ - полупрозрачное); Н- невзаимный элемент; Ф - фотодетектор; П - блок питания; С - система стабилизации параметров лазера; И - система обработки информации.

Резонатор кольцевого лазера состоит из 3 (или 4) отражателей (зеркал или призм), установленных на Жёстком основании и обеспечивающих замкнутую траекторию (треугольник или прямоугольник) для встречных волн (рис. 1). Возникновение разности частот встречных волн следует из зависимости времени обхода светом вращающегося контура от скорости вращения и направления обхода. Согласно общей теории относительности, разность времён обхода вращающегося контура

(в приближении малости линейной скорости вращения по сравнению со скоростью света с)записывается в виде, к-рый может быть интерпретирован и в рамках классич. кинематики:

Здесь

-время обхода неподвижного контура, S, L - площадь и оптич. периметр контура (с учётом показателя преломления),

- угл. скорость вращения (в рад/с),

- угол между осью вращения и нормалью к плоскости контура.

Т. к.

связана с различием оптич. путей встречных волн соотношением

, a L определяет собств. частоты резонатора, частоты вращающегося кольцевого резонатора для встречных волн

(+ для волны, распространяющейся по направлению вращения) становятся разными:

Здесь

- частота волн в неподвижном резонаторе (m - целое число). Разность (

) не зависит от формы контура, положения оси вращения относительно центра резонатора и может быть записана в виде

где K=4S/

L наз. масштабным коэф. Л. г.,

= = (

)/2 - длина волны излучения покоящегося Л. г.

Разностная частота

(

10^-2-10⁵ Гц) выделяется фотодетектором при пространств. совмещении (смешении) небольшой части энергии (

0,1%) встречных световых волн (

10¹⁴ Гц), выведенной из кольцевого резонатора (3₁, 3₂, 3₃) через выходное частично прозрачное зеркало 3₃. Смеситель состоит из зеркал 3₄, 3₅ (3₅ - полупрозрачное; рис. 1) или спец. призмы с углом при вершине

90°. Синусоидальный сигнал на выходе фотодетектора преобразуется в измерит. устройстве в последовательность импульсов, регистрируемых счётчиком. Число импульсов пропорц. углу поворота в плоскости кольцевого лазера. Один импульс на

выходе счётчика соответствует повороту Л. г. на

Большая величина К позволяет измерять малые скорости вращения при небольших размерах Л. г. Напр., для кольцевого гелий-неонового лазера (

=6,328

10^-6 см), имеющего резонатор в виде квадрата со стороной 10 см, K=1,58 10⁵. При этом суточное вращение Земли, происходящее с угл. скоростью 15 град/ч и регистрируемое на широте 60°, должно давать

10 Гц. Считая угл. скорость вращения Земли известной и постоянной, можно с точностью

определить широту, на к-рой расположен Л. г.

С квантовомеханич. точки зрения Л. г. представляет собой прибор, вращение к-рого вызывает изменение энергий

и орбитальных моментов

макроскопич. "орбит" фотонов, распространяющихся во встречных направлениях:

где

- величины проекций орбитальных моментов на нормаль к плоскости кольцевого резонатора,

= 2S/L - эффективный радиус орбиты. Из (4) следует, что

. Учитывая, что

, получим выражение (3).

Зависимость

(выходная характеристика Л. г., рис. 2) в реальном кольцевом лазере отличается от (3) из-за влияния нелинейных свойств активной среды и наличия связи встречных волн вследствие обратного рассеяния. В области малых

связь встречных волн приводит к захвату их частот (см. Затягивание частоты). Поэтому выходная характеристика Л. г. имеет область нечувствительности к вращению (зону захвата -

). Кроме того, зависимость

имеет ги-стерезисный характер: частоты, соответствующие входу в зону захвата (

) и выходу из неё (

), различны. При изменении величины обратного рассеяния R и фазы

рассеянных волн

изменяется в пределах

где

-величина зоны захвата (

=0 при

). Для лучших Л. г.

10^-3 рад/с.

Для регистрации малых

в Л. г. создаётся нач. частотное расщепление встречных волн

с помощью небольших (

) в общем случае непериодических угл. колебаний кольцевого лазера. Нач. расщепление может быть создано также с помощью помещаемых внутрь кольцевого резонатора частотных невзаимных элементов. Наиб. часто используются невзаимные элементы на основе Фарадея эффекта.

Рис. 2. Частотные характеристики лазерного гироскопа: 1 - идеальная (

), 2, 3 - теоретические [

], 4 - область реальной характеристики.

В качестве активной среды в Л. г. обычно используется газовая смесь двух изотопов неона (²⁰Ne, ²²Ne) с Не, характеризующаяся неоднородно уширенной линией рабочего перехода. Это позволяет устранить конкурентное взаимодействие встречных волн и полунить высокую стабильность. Исследуются кольцевые лазеры с кристаллич. или стеклообразной активной средой.

Предельная точность измерения

10 ^-4 град/ч определяется естеств. флуктуациями разности частот встречных волн в кольцевом лазере. В реальных Л. г. достигается погрешность измерения

10^-2-10^-3 град/ч при времени измерения

1 с.

Преимущества Л. г. перед традиц. механич. гироскопами: возможность использования в системах, где гироскоп жёстко связан с движущимся объектом; цифровой выход информации; большой диапазон

; малая чувствительность к перегрузкам и малое время (

1 с) запуска.

Литература по лазерным гироскопам (фотонным гироскопам)

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.