Giroscópio de anel a laser - Ring laser gyroscope

Giroscópio de anel a laser

Um giroscópio de laser de anel ( RLG ) consiste em um laser de anel com dois modos ressonantes de contra-propagação independentes no mesmo caminho; a diferença de fase é usada para detectar a rotação. Ele opera com base no princípio do efeito Sagnac, que muda os nulos do padrão de onda estacionária interna em resposta à rotação angular. A interferência entre os feixes de contra-propagação, observada externamente, resulta no movimento do padrão de onda estacionária e, portanto, indica rotação.

Descrição

O primeiro giroscópio experimental de laser em anel foi demonstrado nos Estados Unidos por Macek e Davis em 1963. Várias organizações em todo o mundo desenvolveram posteriormente a tecnologia de laser em anel. Muitas dezenas de milhares de RLGs estão operando em sistemas de navegação inercial e estabeleceram alta precisão, com incerteza de polarização melhor que 0,01 ° / hora e tempo médio entre falhas superior a 60.000 horas.

Representação esquemática de uma configuração de laser de anel. No local de amostragem do feixe, uma fração de cada um dos feixes de contrapropagação sai da cavidade do laser.

Os giroscópios de laser anelar podem ser usados ​​como elementos estáveis ​​(para um grau de liberdade cada) em um sistema de referência inercial . A vantagem de usar um RLG é que não há peças móveis (além do conjunto do motor de dither, consulte a descrição adicional abaixo e a trava a laser), em comparação com o giroscópio giratório convencional . Isso significa que não há atrito, o que, por sua vez, elimina uma fonte significativa de deriva. Além disso, toda a unidade é compacta, leve e altamente durável, tornando-a adequada para uso em sistemas móveis como aeronaves, mísseis e satélites. Ao contrário de um giroscópio mecânico, o dispositivo não resiste a mudanças em sua orientação.

As aplicações contemporâneas do Giroscópio a Laser de Anel (RLG) incluem uma capacidade de GPS embutida para aumentar ainda mais a precisão dos Sistemas de Navegação Inercial (INS) RLG em aeronaves militares, aviões comerciais, navios e espaçonaves. Essas unidades híbridas INS / GPS substituíram suas contrapartes mecânicas na maioria das aplicações. No entanto, onde a ultra precisão é necessária, os INSs baseados em spin giroscópio ainda estão em uso hoje.

Princípio da Operação

Uma certa taxa de rotação induz uma pequena diferença entre o tempo que a luz leva para atravessar o anel nas duas direções de acordo com o efeito Sagnac . Isso introduz uma pequena separação entre as frequências dos feixes de contra-propagação, um movimento do padrão de onda estacionária dentro do anel e, portanto, um padrão de batida quando esses dois feixes sofrem interferência fora do anel. Portanto, o deslocamento líquido desse padrão de interferência segue a rotação da unidade no plano do anel.

Os RLGs, embora mais precisos do que os giroscópios mecânicos, sofrem de um efeito conhecido como "bloqueio" em taxas de rotação muito lentas. Quando o anel de laser quase não está girando, as frequências dos modos de contra-propagação do laser tornam-se quase idênticas. Neste caso, a diafonia entre os feixes de contra-propagação pode permitir o travamento por injeção de modo que a onda estacionária "fique presa" em uma fase preferida, travando assim a frequência de cada feixe à do outro, em vez de responder à rotação gradual.

O dithering forçado pode superar amplamente esse problema. A cavidade do laser do anel é girada no sentido horário e anti-horário em torno de seu eixo usando uma mola mecânica acionada em sua frequência de ressonância. Isso garante que a velocidade angular do sistema esteja geralmente longe do limite de bloqueio. As taxas típicas são 400 Hz, com uma velocidade de pontilhamento de pico da ordem de 1 grau por segundo. O dither não corrige o problema de bloqueio completamente, pois cada vez que a direção de rotação é invertida, existe um curto intervalo de tempo no qual a taxa de rotação é próxima de zero e o bloqueio pode ocorrer brevemente. Se uma oscilação de frequência pura for mantida, esses pequenos intervalos de bloqueio podem se acumular. Isso foi corrigido pela introdução de ruído na vibração de 400 Hz.

Uma abordagem diferente para evitar o lock-in é incorporada no Giroscópio de Laser de Anel Multioscillator, em que o que é efetivamente dois lasers de anel independentes (cada um tendo dois feixes de contrapropagação) de polarização circular oposta coexistem no mesmo ressonador de anel. O ressonador incorpora rotação de polarização (por meio de uma geometria não plana) que divide o modo de cavidade degenerada quádrupla (duas direções, duas polarizações cada) em modos polarizados circulares à direita e à esquerda separados por muitas centenas de MHz, cada um com dois feixes de contrapropagação. Polarização não recíproca por meio do Efeito Faraday , seja em um rotador Faraday fino especial ou então por meio de um campo magnético longitudinal no meio de ganho, então divide ainda mais cada polarização circular por tipicamente algumas centenas de kHz, fazendo com que cada laser de anel tenha uma batida de saída estática frequência de centenas de kHz. Uma frequência aumenta e uma diminui quando a rotação inercial está presente, e as duas frequências são medidas e então subtraídas digitalmente para finalmente render a divisão de frequência de efeito Sagnac líquida e assim determinar a taxa de rotação. A frequência de polarização de Faraday é escolhida para ser mais alta do que qualquer diferença de frequência induzida por rotação antecipada, de modo que as duas ondas de contrapropagação não tenham oportunidade de travar.

Giroscópio de fibra óptica

Um dispositivo relacionado é o giroscópio de fibra óptica, que também opera com base no efeito Sagnac, mas no qual o anel não faz parte do laser. Em vez disso, um laser externo injeta feixes de contra-propagação em um anel de fibra óptica , onde a rotação causa uma mudança de fase relativa entre esses feixes quando interferida após sua passagem pelo anel de fibra. A mudança de fase é proporcional à taxa de rotação. Isso é menos sensível em uma única travessia do anel do que o RLG, no qual a mudança de fase observada externamente é proporcional à própria rotação acumulada, não à sua derivada. No entanto, a sensibilidade do giroscópio de fibra ótica é aumentada por ter uma fibra ótica longa, enrolada para compactação, na qual o efeito Sagnac é multiplicado de acordo com o número de voltas.

Aplicativos de exemplo

Veja também

Referências

links externos