Пусть луч света (лазерного излучения) падает на зеркало (Рис.1.11.)и имеет интенсивность Io. Под интенсивностью излучения подразумевается любой энергетический параметр пучка излучения, например, мощность излучения.

Рис. 1.11 (луч света (лазерного излучения) падает на зеркало)

Большая часть падающего излучения отражается, т.к. мы имеем дело с высокоотражающими зеркалами. Пусть интенсивность отраженного луча составляет IR. Некоторая часть падающего луча проходит сквозь покрытие и составляет интенсивность IT. Часть падающего луча поглощается внутри покрытия и переходит в энергию колебаний решетки или переизлучается в другом частотном диапазоне. Интенсивность этой части падающего луча IA. Часть интенсивности падающего луча, рассеиваемая в других направлениях, кроме направления зеркального отражения, составляет интенсивность рассеянного луча IS. Из закона сохранения энергии следует, что интенсивность падающего луча должна быть равна сумме интенсивностей лучей после отражения.

I 0 = IR + IS + IT + IA

Поделив почленно на I0 и используя обозначения:

R=IR/I 0- энергетический коэффициент отражения (далее, если не возникает недоразумения, слово "энергетический" опускается);

S= IS/ I 0 - коэффициент интегрального рассеяния;

T= IT/ I 0 - коэффициент пропускания;

A= IT/ I 0 - коэффициент поглощения,

получаем закон сохранения энергии при отражении:

(1) R + S + T + A = 1

Наряду с коэффициентом отражения используется коэффициент потерь L:

L = S + T + A = 1 - R

Для зеркал лазерного гироскопа типичный масштаб рассматриваемых величин такой:

R » 0,999; L » S » 0,001 = 0,1%; T » 3x10-4; A < 1x10-4.

Далее под оптическими параметрами зеркал лазерного гироскопа понимаются коэффициенты отражения, пропускания, рассеяния и поглощения. Измеряемые потери зеркал состоят из трёх частей: рассеяния, пропускания и поглощения. Для кольцевого лазера каждый из названных параметров важен по отдельности.

РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ.

Коэффициент пропускания является важнейшим фактором, определяющим потери в резонаторе. Для большинства лазеров имеются два предельных случая. Если зеркала полностью отражают свет, то лазер будет сильно генерировать, но не будет давать полезной выходной мощности (рассеянием на зеркалах и окнах пренебрегаем). Если же коэффициент отражения зеркал слишком мал, то потери при отражении превысят величину общего усиления и лазер не будет генерировать. Коэффициент отражения, при котором выходная мощность максимальна, лежит где-то посередине.

Коэффициент пропускания зеркального покрытия Тr определяется как отношение величины сигнала от излучения, прошедшего через измеряемое зеркало и компенсирующую пластину (сигнал t) к величине сигнала от излучения при их отсутствии (сигнал N ):

где R - коэффициент отражения от поверхностей компенсирующей пластины и задней поверхности подложки зеркала, рассчитанный с учетом угла падения и поляризации излучения.

Величина сигнала N определяется при калибровке.

Расчет коэффициента интегрального рассеяния.

Рассеяние определяет связь встречных волн, а это непосредственным образом связано с величиной захвата, дрейфа и точности лазерного гироскопа.

Коэффициент интегрального рассеяния Sc определяется как отношение величины сигнала от рассеяния на измеряемом зеркале 11 (сигнал s) к величине сигнала от флажка 16 ( сигнал N ):

Для исключения погрешности измерения, обусловленной попаданием ореола луча на поверхность фотометрического шара вследствие неточности юстировки, наличия дифракции на диафрагмах, а также рассеяния на пылинках на поверхностях оптических элементов и внутри шара и др. в формуле (2) из сигнала s вычтен “нулевой” сигнал ( сигнал Zero ).

Сигнал N и сигнал Zero определяются в процессе калибровки Установки при отсутствии измеряемого зеркала.

В этих измерениях определяется интегральное рассеяние зеркала при не сфокусированном луче (фокусирующая труба 13 опущена).

Измерение коэффициента интегрального рассеяния зеркала в точках на круговой траектории

Данное измерение проводится при сфокусированном на зеркале луче (фокусирующая труба 13 поднята).

Коэффициент интегрального рассеяния в каждой точке зеркала определяется также по формуле (2).

Результаты измерения представляются графиком распределения коэффициента рассеяния вдоль круговой траектории.

Статистическая обработка …

2. Проектирование автоматизированного рабочего места для измерения (УПИР-4).

Задача накопления, обработки и распространения (обмена) информации стояла в науке и на производстве на всех этапах их развития.

В течение долгого времени основными инструментами для ее решения был сам человек. Положение в корне изменилось с появлением электронных вычислительных машин (ЭВМ). Принципиально новый шаг был совершен, когда от применения ЭВМ для решения отдельных задач перешли к их использованию для комплексной автоматизации тех или иных законченных участков деятельности человека по переработке информации.

Одним из первых примеров подобного системного применения ЭВМ были так называемые административные системы обработки данных: автоматизация банковских операций, бухгалтерского учета, резервирования и оформления билетов и т.п. Решающее значение для эффективности систем подобного рода имеет то обстоятельство, что они опираются на автоматизированные информационные базы. При решении очередной задачи система нуждается во вводе только небольшой порции дополнительной информации, - остальное берется из информационной базы. Каждая порция вновь вводимой информации изменяет информационную базу системы. Эта база (информационная, или база данных) находится, таким образом, в состоянии непрерывного обновления, отражая все изменения, происходящие в реальном объекте, с которым имеет дело система.

Хранение информации в памяти ЭВМ придает этой информации принципиально новое качество динамичности, т.е. способности к быстрой перестройке и непосредственному ее использованию в решаемых на ЭВМ задачах. Устройства автоматической печати, которыми снабжены современные ЭВМ, позволяют в случае необходимости быстро представить любую выборку из этой информации в форме представления на бумаге.

По мере своего дальнейшего развития административные системы обработки данных переросли в автоматизированные системы управления (АСУ) соответствующими объектами, в которых, как правило, не ограничиваются одной ЭВМ, а в составе двух и более ЭВМ объединяют в вычислительный комплекс (ВК).

Автоматизированная система управления (АСУ) - это человекомашинная система, в которой с помощью технических средств обеспечивается сбор, накопление, обработка информации, формулирование оптимальной стратегии управления определенными компонентами и выдача результатов человеку или группе людей, принимающих решение по управлению. Под оптимальной стратегией понимается стратегия, минимизирующая или максимизирующая некоторые характеристики объекта.

С целью обеспечения возможности взаимодействия человека с ЭВМ в интерактивном режиме появляется необходимость реализовать в рамках АСУ так называемое АРМ - автоматизированное рабочее место. АРМ представляет собой совокупность программно-аппаратных средств, обеспечивающих взаимодействие человека с ЭВМ, т.е. такие функции как:

возможность ввода информации в ЭВМ;

возможность вывода информации из ЭВМ на экран монитора, принтер или другие устройства вывода (в настоящее время этот перечень достаточно широк - графопостроители, и т.п.).

Так называемые интеллектуальные АРМ в свою очередь также содержат в своем составе ЭВМ, тем или иным способом подсоединенную к центральной ЭВМ (ВК) АСУ. Устройства ввода также должны обеспечивать широкий спектр вводимой информации: текстовой, координатной, факсимильной и т.д. Поэтому АРМ оснащаются при необходимости универсальной или специальной клавиатурой, устройствами ввода координатной информации (типа мыши), различного рода сканерами и т.д.

В настоящее время для интенсификации труда специалистов различных профессий разрабатываются и получают широкое распространение АРМ которые функционируют на базе ПЭВМ.

Общее программное обеспечение (ПО) обеспечивает функционирование вычислительной техники, разработку и подключение новых программ. Сюда входят операционные системы, системы программирования и обслуживающие программы.

Для объекта управления в данной работе необходимо предусмотреть автоматизированное рабочее место, соответствующие его функциональному назначению. Однако принципы создания АРМ должны быть общими: системность, гибкость, устойчивость, эффективность.

Согласно принципу системности АРМ следует рассматривать как системы, структура которых определяется функциональным назначением.

Принцип гибкости означает приспособляемость системы к возможным перестройкам благодаря модульности построения всех подсистем и стандартизации их элементов.

Принцип устойчивости заключается в том, что система АРМ должна выполнять основные функции независимо от воздействия на нее внутренних и внешних возможных факторов. Это значит, что неполадки в отдельных ее частях должны быть легко устранимы, а работоспособность системы - быстро восстановима.

Эффективность АРМ следует рассматривать как интегральный показатель уровня реализации приведенных выше принципов, отнесенного к затратам по созданию и эксплуатации системы.

Функционирование АРМ может дать численный эффект только при условии правильного распределения функций и нагрузки между человеком и машинными средствами обработки информации, ядром которых является ЭВМ. Автоматизация рабочего места позволяет сэкономить массу времени и средств на финансовые и другие операции..

Функционирование АРМ может дать численный эффект только при условии правильного распределения функций и нагрузки между человеком и машинными средствами обработки информации, ядром которых является ЭВМ. Лишь тогда АРМ станет средством повышения не только производительности труда и эффективности управления, но и социальной комфортности специалистов.

Особого внимания при производстве кольцевых лазерных гироскопов требует сборка резонаторов, качество которых напрямую зависит от устанавливаемых в них таких оптических элементов как зеркала и от соответствия параметров зеркал определенным установленным значениям.

В целях повышения качества производства кольцевых лазерных гироскопов была поставлена задача по проектированию такого автоматизированного рабочего места, которое позволяло бы проверять параметры зеркал независимо. Основной задачей которую предстоит решить является определение основных узлов и компонентов, из которых будут сформирована оптическая часть установки. Ее главной особенностью будет то, что ее можно будет использовать в равной степени как для измерения значения коэффициента пропускания, так и для измерения интегрального коэффициента рассеяния. Измерение двух параметров будет производиться отдельно в зависимости от режима работы.

За основу была взята одна из первых установок для измерения интегрального рассеяния, созданная в 1968 году, которая представляла собой однолучевой фотометр.

В проектируемой оптической установке в качестве источника излучения будет использоваться гелий-неоновый лазер ГН-5П генерирующий излучение с длиной волны 632.8 нм, работающий в одномодовом режиме с выходной мощностью порядка 1,5 мВт. с управляемой диаграммой направленности. Выходящее из лазера излучение должно быть промодулировано, поэтому в оптическую установку, в ход луча необходимо ввести модулятор, представляющий собой дисковый прерыватель, который бы обеспечивал амплитудную модуляцию лазерного излучения с частотой порядка 500 Гц.

При разработке оптической установки для режима проверки параметра пропускания возникла проблема, вызванная тем, что при прохождении луча через измеряемое зеркало происходит его линейное смещение. Возник вопрос о способе компенсации этого смещения. Решением стало ввод в оптический тракт к установленному измеряемому зеркалу плоскопараллельной пластины из кварца. Так как а проектированном варианте автоматизированного рабочего места предполагается измерения коэффициента пропускания вести в трех режимах, под тремя углами 0°, 30°и 45°,при повороте зеркала на каждый из этих углов плоскопараллельная кварцевая пластина должна разворачиваться во взаимообратном направлении от зеркала. При всем при этом основным условием для устанавливаемой пластины является ее толщина, которая должна полностью соответствовать толщине зеркала.

Для измерения коэффициента интегрального рассеяния в оптической части разрабатываемой установки нужно спроектировать узел, куда будет устанавливаться измеряемое зеркало. Исходя из более ранних разработок, где в качестве такого узла применялся светомерный шар, проектируется своеобразная интегрирующая фотометрическая сфера. При этом интегрирующая сфера должна иметь специальное светорассеивающее покрытие, характеристики которого близки к «идеальному» рассеивателю (то-есть, отражающему около 100 % падающего излучения и рассеивающему его по закону Ламберта). В фотометрической сфере предусматривается два отверстия, для входящего излучения и для отраженного от измеряемого зеркала.

Принцип измерения интегрального рассеяния лазерных зеркал основан на сравнении мощностей при диффузных отражениях зондирующего излучения от «идеального» рассеивателя и от измеряемого зеркала.

Поэтому в фотометрическом шаре предусматривается установка «идеального» рассеивателя, в настоящем случае белой рассеивающей пластины, которая представляет собой флажок, с нанесенным на него специальным рассевающим покрытием. Зеркально отраженный луч выходит из сферы через специально предусмотренное отверстие, а рассеянное излучение образует в интегрирующей фотометрической сфере определенный уровень освещенности. Световой сигнал возникающий в фотометрическом шаре должен детектироваться специальным фотоприемником с довольно высоким уровнем чувствительности. Данный фотоприемник устанавливается в фотометрический шар. Попадающий на фотоприемник сигнал от рассеянного излучения будет создавать переменный электрический сигнал, который должен усиливаться узкополосным усилителем и затем детектироваться синхронным детектором. В проектированном варианте опорным сигналом синхронного детектора служит сигнал с другого фотоприемника, источником излучения для которого служит модулируемый тем же механическим модулятором лазерный луч. Этот фотоприемник при разработке оптической установки следует установить в самом начале хода зондирующего луча. В этом случае промодулированое дисковым прерывателем лазерное излучение должно попасть на специальную светоделительную пластину (частично отражающую пластину). Часть излучения проходит дальше, а другая часть отражается от пластины попадает на фотоприемник. При этом следует отметить отсутствие особых ограничений и требований на чувствительность этого фотоприемника по сравнению с фотоприемником расположенным в фотометрическом шаре. Это можно объяснить тем что излучение выходящее из лазера еще достаточно мощное. Опорный сигнал, возникающий и усиленный в этом фотоприемнике уже можно использовать в детектировании синхронным детектором как для режима измерения коэффициента пропускания, так и для режима измерения коэффициента интегрального рассеяния.

В процессе сборки резонаторов качество напыления зеркал играет одну из определяющих ролей. Поэтому на проектированном рабочем месте предусматривается не только проверка коэффициента интегрального рассеяния в какой то одной определенной точке, но и измерение коэффициента интегрального рассеяния зеркала в точках на круговой траектории. Для обеспечения данного условия луч, падающий на измеряемое зеркало должен быть сфокусированным, а само зеркало закреплено на специальном устройстве, связанным с шаговым двигателем, обеспечивающим автоматический поворот измеряемого зеркала вокруг его нормали на 360 за 250 шагов. Таким образом разрабатываемая установка позволит производить измерение коэффициента интегрального рассеяния при падении на зеркало луча как без фокусировки (диаметр пятна на зеркале ~ 1,5-2,5 мм), так и сфокусированного луча (диаметр пятна ~ 30-60 мкм). В режиме измерения коэффициента интегрального рассеяния в точках на круговой территории для фокусировки луча на зеркало в оптический тракт необходимо спроектировать и ввести особый оптический элемент, состоящий из фокусирующей линзы, зрительную трубу. В режимах измерения коэффициента пропускания и интегрального рассеяния зрительная труба находится в нижнем положении, вне хода зондирующего луча, тогда как при измерении коэффициента интегрального рассеяния в точках на круговой траектории наоборот зрительная труба вводится в ход луча, то есть занимает верхнее положение. Следует отметить еще важную особенность оптической схемы для проведения измерений. При проверке значения параметра интегрального рассеяния в точках на круговой траектории должна быть проведена юстировка установки именно таким образом, чтобы луч падающий на измеряемое зеркало попадал не в сам центр зеркала под углом 45° а на расстояние установленное как 0,5-1,5 мм. Таким образом измеряемое зеркало находящиеся под углом 45 ° к ходу луча закрепляется на специальное устройство, а связанный с ним шаговый двигатель обеспечивает автоматический поворот измеряемого зеркала вокруг его нормали на 360 за 250 шагов.

Ход зондирующего луча в оптической части установки обеспечивается специальными поворотными зеркалами в количестве четырех штук, представляющие собой плоские кварцевые пластинки покрытые алюминиевым внешним покрытием с высоким процентом отражения.

Предполагается, что в разрабатываемой установке измерения параметров зеркал будет производиться для S и P поляризаций. Для обеспечения данного условия в ход луча было решено поместить в качестве поляризатора поляризационный светофильтр (поляроид). представляющий собой поляризующую свет пленку, вклеенную между защитными плоскопараллельными пластинами (стекло К8).

В процессе проектирования оптической схемы возникла проблема влияния световых бликов, которые образовывались при прохождении излучения через оптические элементы. Эта проблема была устранена решением ввести в оптический тракт диафрагм, которые можно регулировать как по степени раскрытия, так и так по положению оптической оси диафрагмы относительно лазерного луча.

2. Основные технические характеристики УИПР-4