Un giroscopio láser de anillo ( RLG ) consta de un láser de anillo que tiene dos modos resonantes de contrapropagación independientes en el mismo camino; la diferencia de fase se utiliza para detectar la rotación. Opera según el principio del efecto Sagnac que desplaza los nulos del patrón de onda estacionaria interna en respuesta a la rotación angular. La interferencia entre los haces que se propagan en contra, observada externamente, da como resultado el movimiento del patrón de onda estacionaria y, por lo tanto, indica rotación.
Macek y Davis demostraron el primer giroscopio láser de anillo experimental en los EE. UU. en 1963. [1] Posteriormente, varias organizaciones de todo el mundo desarrollaron aún más la tecnología de láser de anillo. Muchas decenas de miles de RLG están operando en sistemas de navegación inercial y han establecido una alta precisión, con una incertidumbre de sesgo superior a 0,01°/hora y un tiempo medio entre fallas superior a 60.000 horas.
Los giroscopios láser de anillo se pueden utilizar como elementos estables (para un grado de libertad cada uno) en un sistema de referencia inercial . La ventaja de utilizar un RLG es que no hay piezas móviles (aparte del conjunto del motor de oscilación (consulte la descripción más detallada a continuación) y el bloqueo láser), en comparación con el giroscopio giratorio convencional . Esto significa que no hay fricción, lo que elimina una fuente importante de deriva. Además, toda la unidad es compacta, liviana y muy duradera, lo que la hace adecuada para su uso en sistemas móviles como aviones, misiles y satélites. A diferencia de un giroscopio mecánico, el dispositivo no resiste los cambios de orientación.
Las aplicaciones contemporáneas del giroscopio láser de anillo incluyen una capacidad de GPS integrada para mejorar aún más la precisión de los sistemas de navegación inercial RLG en aviones militares, aviones comerciales, barcos y naves espaciales. Estas unidades híbridas INS/GPS han reemplazado a sus contrapartes mecánicas en la mayoría de las aplicaciones.
"Los giroscopios láser de anillo (RLG) han demostrado ser actualmente el dispositivo más sensible para probar el movimiento de rotación con respecto a un marco inercial". [2]
Según el efecto Sagnac , la rotación induce una pequeña diferencia entre el tiempo que tarda la luz en recorrer el anillo en las dos direcciones. Esto introduce una pequeña separación entre las frecuencias de los haces que se propagan en contra, un movimiento del patrón de onda estacionaria dentro del anillo y, por lo tanto, un patrón de ritmo cuando esos dos haces interfieren fuera del anillo. Por lo tanto, el desplazamiento neto de ese patrón de interferencia sigue la rotación de la unidad en el plano del anillo.
Los RLG, aunque son más precisos que los giroscopios mecánicos, sufren un efecto conocido como "bloqueo" a velocidades de rotación muy lentas. Cuando el láser anular apenas gira, las frecuencias de los modos láser de contrapropagación se vuelven casi idénticas. En este caso, la diafonía entre los haces que se propagan en sentido contrario puede permitir el bloqueo por inyección , de modo que la onda estacionaria "se atasca" en una fase preferida, bloqueando así la frecuencia de cada haz con la del otro, en lugar de responder a una rotación gradual. .
El difuminado forzado puede superar en gran medida este problema. La cavidad del láser anular gira en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de su eje mediante un resorte mecánico accionado a su frecuencia de resonancia. Esto asegura que la velocidad angular del sistema esté generalmente lejos del umbral de bloqueo. Las velocidades típicas son 400 Hz, con una velocidad máxima de oscilación del orden de 1 grado por segundo. El tramado no soluciona completamente el problema de bloqueo, ya que cada vez que se invierte la dirección de rotación, existe un breve intervalo de tiempo en el que la velocidad de rotación es cercana a cero y puede ocurrir un bloqueo brevemente. Si se mantiene una oscilación de frecuencia pura, estos pequeños intervalos de bloqueo pueden acumularse. Esto se solucionó introduciendo ruido en la vibración de 400 Hz. [3]
Un enfoque diferente para evitar el bloqueo se materializa en el giroscopio láser de anillo multioscilador, [4] [5] en el que lo que efectivamente son dos láseres de anillo independientes (cada uno con dos haces contrapropagantes) de polarización circular opuesta coexisten en el mismo resonador de anillo. El resonador incorpora rotación de polarización (a través de una geometría no plana) que divide el modo de cavidad cuádruple degenerada (dos direcciones, dos polarizaciones cada una) en modos polarizados circularmente derecho e izquierdo separados por muchos cientos de MHz, cada uno con dos haces contrapropagantes. La polarización no recíproca a través del efecto Faraday , ya sea en un fino rotador de Faraday especial o a través de un campo magnético longitudinal en el medio de ganancia, luego divide aún más cada polarización circular generalmente en unos pocos cientos de kHz, lo que hace que cada anillo láser tenga un ritmo de salida estático. frecuencia de cientos de kHz. Una frecuencia aumenta y otra disminuye cuando hay rotación inercial; las dos frecuencias se miden y luego se restan digitalmente para finalmente producir la división de frecuencia neta del efecto Sagnac y así determinar la velocidad de rotación. La frecuencia de polarización de Faraday se elige para que sea mayor que cualquier diferencia de frecuencia anticipada inducida por la rotación, de modo que las dos ondas que se contrapropagan no tengan oportunidad de bloquearse.
Un dispositivo relacionado es el giroscopio de fibra óptica , que también funciona según el efecto Sagnac, pero en el que el anillo no forma parte del láser. Más bien, un láser externo inyecta haces que se propagan en contra en un anillo de fibra óptica , donde la rotación provoca un cambio de fase relativo entre esos haces cuando se interfieren después de su paso a través del anillo de fibra. El cambio de fase es proporcional a la velocidad de rotación. Esto es menos sensible en un solo recorrido del anillo que el RLG, en el que el cambio de fase observado externamente es proporcional a la rotación acumulada en sí, no a su derivada. Sin embargo, la sensibilidad del giroscopio de fibra óptica se mejora al tener una fibra óptica larga, enrollada para que sea más compacta, en la que el efecto Sagnac se multiplica según el número de vueltas.
