Оптические гироскопы. К оптическим гироскопам относятся лазерные и волоконнооптические гироскопы.
Основным элементом лазерного гироскопа является кольцевой оптический квантовый генератор (КОКГ).
Кольцевым оптическим квантовым генератором называют устройство, в котором генерируются и поддерживаются автоколебания электромагнитной энергии в оптическом диапазоне частот на основе эффекта усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного, индуцированного излучения атомов.
   Лазерным гироскопом (ЛГ) называется такой квантовый генератор, в котором генерируются волны оптического диапазона, распространяющиеся в противоположных направлениях, и который снабжен устройством, осуществляющим измерение частоты возникающих биений указанных волн.
Функционально в навигационной технике ЛГ используется как преобразователь угловой скорости и угла поворота в инерциальном пространстве того основания, на котором он установлен. Из сказанного становится понятным и обоснованным применение к нему термина «гироскоп».
Первое сообщение о возможности обнаружения абсолютного вращательного движения основания на принципе использования электромагнитных эффектов в оптической системе принадлежит Майкельсону (начало XX века). Он же предложил использовать указанный эффект для целей определения суточного вращения Земли.
   Экспериментально предложенный метод был реализован Саньяком в 1913 году. Тогда же он высказал мнение о возможности практического применения открытого эффекта для автономного определения угловой скорости вращения корабля относительно его вертикальной оси.
Простейшими формами кольцевой структуры лазерного гироскопа являются треугольник или четырехугольник с несущественным качественным различием между ними.
   На рисунке показан треугольный вариант контура, состоящий из двух непрозрачных 1,2 и одного полупрозрачного 3 зеркал, расположенных в вершинах треугольника. Такая система отражателей называется резонатором. Полупрозрачное зеркало используется для вывода части энергии контура с целью получения информации о частоте колебания в нем. Для того, чтобы ликвидировать неизбежные потери энергии в резонаторе, в него включен активный элемент, который осуществляет преобразование электрической энергии в электромагнитные колебания. В качестве такого элемента использован газовый лазер 4, обеспечивающий монохроматичность и когерентность излучения, и система возбуждения его активной среды, называемая системой поджига и накачки 5.
   Эффективная техническая реализация газового лазера в настоящее время достигнута при использовании в качестве активной среды смеси двух газов: гелия и неона. В указанной смеси индуцированное излучение возможно с несколькими длинами волн. Для лазерного гироскопа оптимальной считается длина волны λ =0,63 мкм.
   Излучения, выходящие через левый А и правый В торцы газового лазера, образуют внутри резонатора систему волн, бегущих навстречу друг другу. Фаза колебаний каждой волны зависит от оптической длины проходимого пути. В идеальном случае, при отсутствии вращения основания в инерциальном пространстве вокруг оси, перпендикулярной плоскости резонатора (в рассматриваемом случае вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка), волны, распространяющиеся по часовой стрелке и против часовой стрелки, будут иметь одинаковую частоту. При возникновении вращения основания вокруг упомянутой выше оси с угловой скоростью ω (на рисунке для определенности оно указано стрелкой с оперением) ситуация радикально изменится. Причина состоит в том, что в соответствии с основным постулатом теории относительности скорость распространения электромагнитных колебаний (скорость света) является мировой константой, т.е. имеет постоянную величину по отношению к любой системе координат, в том числе и инерциальной.
   Скорость распространения электромагнитных колебаний по отношению к вращающейся системе координат, т.е. относительная, будет различной: для источника, движущего в сторону распространения излучения, она будет равна (C-V), а для источника, движущегося в сторону, противоположную излучению, ее величина составит (C+V). Если теперь определить «абсолютную» скорость, равную относительной плюс переносной, то в первом случае получим (C-V+V)=C и во втором (C+V-V)=C. Заметим, что с точки зрения физики, а именно, теории относительности, скорость вообще понятие относительное. Здесь же используется штурманская терминология, в которой «абсолютной» называется или скорость относительно Земли, или, как в нашем случае, относительно инерциальной системы координат.
   Для выяснения существа явления будем вместо треугольного контура рассматривать чисто кольцевой с радиусом R, что не меняет сути дела, но упрощает математическую сторону вопроса. При отсутствии угловой скорости ω имеет место следующее соотношение, известное из теории волновых процессов: .
   В этом случае на фотоэлектронном умножителе 6 будет наблюдаться определенная интерференционная картина.
С появлением ω, в соответствии с вышеизложенным для источника А:
а для источника В:
   Данные преобразования справедливы для наблюдателя в инерциальной системе отсчета, поэтому не противоречат опыту Майкельсона-Морли. Очевидно, что возникает доплеровский сдвиг частот. Для первого случая он положителен («голубое смещение»), для второго – отрицателен («красное смещение»). Теперь на фотоэлектронных умножителях интерференционная картина изменится. При наложении таких волн друг на друга возникают биения с частотой
   Подставляя в данное выражение значения fA и fB из выражений получим:
   Отсюда вытекает, что частота биений прямо пропорциональна угловой скорости резонатора по отношению к инерциальному пространству и зависит только от величины проекции угловой скорости на нормаль к контуру резонатора. Выходящие через полупрозрачное зеркало 3 встречные волны через специальную оптическую систему поступают на катод фотоэлектронного умножителя 6, где образуют интерференционную картину. При отсутствии угловой скорости ω система интерференционных полос стационарна, то есть система интерференционных полос неподвижна. При появлении ω интерференционная картина начинает перемещаться по катоду, причем чередование полос максимумов и минимумов интенсивности света происходит с частотой биений. В системе обработки информации 7 путем преобразования синусоидального сигнала, снимаемого с фотоэлектронного умножителя, в счетную последовательность прямоугольных импульсов частота биений представляется в цифровой форме. Таким образом, количество счетных импульсов в единицу времени равно частоте биений, которая, как рассмотрено выше,, прямо пропорциональна угловой скорости ω.

Преимущества лазерного гироскопа:

1. Высокая чувствительность благодаря высокому масштабному коэффициенту К = R/λ, то есть линейные размеры контура резонатора на порядки превосходят длину волны;
2. Высокая точность измерения угловой скорости;
3. Возможность использования гироскопа в качестве измерителя угла поворота основания. Для этого достаточно просуммировать число импульсов за время интегрирования. Эта операция выполняется в реверсивном счетчике 8, где происходит суммирование с учетом знака ω. Очевидно, что число импульсов зависит только от угла поворота и не зависит от флуктуаций ω во время вращения;
   
4. Удобство сопряжения с вычислительными машинами. Так как выходной сигнал лазерного гироскопа имеет дискретную форму, его можно вводить непосредственно в ЭВМ.
   
5. Отсутствие вращающихся механических систем, что значительно его надежность по сравнению с электромеханическими гироскопами.
   
6. Практически мгновенный запуск, малая потребляемая мощность.
   
7. Высокая точность измеряемых угловых скоростей: случайный дрейф – 0,001º/ч; цена импульса – 1,5 угл. с; стабильность масштабного коэффициента – 10-4; линейность масштабного коэффициента – 10-5; время готовности – < 1 с.
   
8. Широкий диапазон измеряемых угловых скоростей: от 10-3 º/ч до 103º/с, что делает прибор особо пригодным для использования в ИНС.
9. Малая чувствительность к линейным перегрузкам.  

 Недостатки лазерного гироскопа:

1. Нелинейность выходного сигнала вследствие явления захвата. Это явление возникает, когда частоты встречных волн различаются незначительно. Это приводит к тому, что при очень малой угловой скорости вращения лазерного гироскопа из-за взаимной синхронизации волн исчезают биения. Существует много способов борьбы с данным недостатком. Наиболее эффективный из них – механическая вибрация гироскопа с определенной частотой;
   
2. Зависимость масштабного коэффициента от линейных размеров гироскопа (длины оптического пути). Линейные размеры изменяются с изменением температуры, механических деформаций.
   
3. Смещение нуля выходных характеристик.

Технические характеристики серийных лазерных гироскопов:

• цена импульса – 1,25 дуговых секунд на импульс;
  
• случайный дрейф – 0,001º/ч;
  
• стабильность масштабного коэффициента – 10-4;
  
• линейность масштабного коэффициента – 10-5;
  
• время готовности – <1 с.