Кольцевые лазерные гироскопы измерят угол наклона земной оси

[Король Альтов]

http://compulenta.computerra.ru/veshestvo/fizika/10006700/
Карл Ульрих Шрайбер (Karl Ulrich Schreiber) из Мюнхенского технического университета (Германия) вместе с коллегами выдвинул концепцию создания того, что они называют большими кольцевыми лазерными гироскопами.

Лазерный гироскоп — это кольцевой резонатор с тремя–четырьмя зеркалами, расположенными по углам установки. Два луча, генерируемые и усиливающиеся в полостях гироскопа, циркулируют по резонатору в противоположных направлениях. Так создаётся стоячая волна, узлы которой связаны с инерциальной системой отсчёта. Их положение не меняется, если гироскоп не вращается в плоскости своего лазерного «кольца», а вот при отклонении корпуса гироскопа фотоприёмники получат интерференционные полосы, в которых повинен эффект Саньяка, фазовый сдвиг встречных световых волн во вращающемся кольцевом интерферометре. По ним можно судить об угле такого поворота.

Сейчас такие приборы в основном используются для самых современных систем инерциальной навигации. Однако г-н Шрайбер считает, что у разработки есть и другие области применения. Если устройство сделать большим — скажем, с диаметром «кольца» в километры, — его точность возрастёт пропорционально росту размеров.

Зачем нужны такие гигантские «приборы»? Ведь при их помощи нельзя ориентироваться в пространстве.
А дело вот в чём. При такой чувствительности на угол наклона корпуса гироскопа будут влиять колебания оси вращения Земли. Они постоянно (хотя и очень слабо) меняются, отражая взаимодействие литосферы, гидросферы (течения) и атмосферы (ветра) планеты. В принципе такого рода устройство пригодится для отслеживания общих процессов в атмосфере и океанах (скажем, для фиксации появления и исчезновения Эль-Ниньо или, к примеру, крупных циклонов), причём даже на значительном удалении от этих процессов.

[Король Альтов]

Эффект Саньяка — появление фазового сдвига встречных электромагнитных волн во вращающемся кольцевом интерферометре. Эффект проявляется и при кольцевом распространении волн неэлектромагнитной природы.
Эффект был описан Жоржем Саньяком (фр. Georges Sagnac) в 1913 г.
Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра, частоте излучения и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре.

Применение Эффект используется в кольцевых лазерных гироскопах для определения угловой скорости в системах инерциальной навигации.
Спутниковые навигационные системы (например, GPS и ГЛОНАСС) учитывают эффект, вызываемый вращением Земли, при синхронизации временны́х сигналов.

[Король Альтов]

САНЬЯКА ОПЫТ, доказал возможность эксперим. определения угл. скорости вращения системы для расположенного в ней наблюдателя, т. е. возможность определения неинерциальности движения системы для покоящегося в ней наблюдателя (эффект Саньяка). Проведён Ж. Саньяком (G. Sagnac) в 1913. В С. о. (рис.) на круглом диске D располагались зеркала S, источник света L ц фотогр. пластинка Ph. Полупрозрачная пластинка Н делила луч света от источника на два: луч 1 шёл по замкнутому пути в направлении вращения диска, луч 2 - в противоположном направлении. При вращении всей системы с угл. скоростью вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска, луч 1, согласно общей теории относительности, с точки зрения наблюдателя, находящегося на диске, тратит на полный обход больше времени, чем луч 2; разность времён обхода где R - радиус окружности, на к-рой располагаются зеркала S и пластинка Н. В результате на фотопластинке при вращении диска наблюдается смещение интерференц. полос (по сравнению с их положением при покоящемся диске) на величину , выраженную в, где-длина волны излучения монохрома-тич. источника света L частоты , а - разность фаз встречных волн 1 и 2. При,см и (угл. скорость вращения Земли) сдвиг полос составляет малую долю: То же выражение для разности фаз можно получить для наблюдателя, покоящегося в лаб. системе отсчёта. Действительно, если рассматривать нерелятивистское вращение точек диска, когда время распространения луча 1 по направлению вращения определяется из соотношения (рис.) Здесь - дополнит. расстояние, на к-рое сдвинется пластинка Я («уйдёт» от догоняющего её луча 1) за время обхода луча по замкнутому контуру. Аналогичное соотношение для луча 2: В результате при . Иногда эту разность времён, возникающую в лаб. системе отсчёта, связывают с разностью доплеровских частот, испускаемых движущейся пластинкой по направлению лучей 1 и 2. Основываясь на результатах С. о., А. Майкельсон (A. Michelson) и Г. Гейл (Н. Gale) в 1925 определили скорость вращения Земли вокруг своей оси. В 1962 этот опыт был повторён А. Джаваном (A. Javan) с использованием когерентного излучения гелий-неонового лазера. Основанные на эффекте Саньяка интерферометры с лазерными источниками света используются в качестве датчиков угл. скорости, угла поворота и ориентации в пространстве для вращающихся объектов. Чувствительность таких интерферометров можно заметно увеличить, если использовать многократные (N-кратные) обходы по замкнутому контуру встречных лучей 1 и 2.  Тогда, где =. Такая схема реализуется в совр. волоконно-оптич. интерферометрах (см. Волоконно-оптический гироскоп). В них излучение, распространяющееся внутри оптич. волокон, намотанных, как в соленоидах, на цилиндрич. стержень, N-кратно проходит по замкнутому контуру (где N - число намотанных витков). Для такого интерферометра при см, см и при оптич. волокне с поперечным сечением в 100 мкм² , а, что можно наблюдать даже невооружённым глазом.

Лит.: Ландау Л. Д., Л и ф ш и ц Е. М., Теория поля, 7 изд., М., 1988; Франкфурт У. И., Специальная и общая теория относительности. Исторические очерки, М., 1968. С. Н. Столяров.