專利名稱：環(huán)形光纖激光陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行測量的裝置，具體涉及利用激光及光纖技術(shù)所設(shè)計(jì)的陀螺。
陀螺是測量轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵裝置。
光纖陀螺技術(shù)已趨成熟(見靳偉等人所著《導(dǎo)波光學(xué)傳感器原理與技術(shù)》，科學(xué)出版社，1998，第148-176頁)。它是由激光光源、光纖環(huán)和信號處理系統(tǒng)三部分組成。將激光光源(如半導(dǎo)體激光器)所產(chǎn)生的激光經(jīng)分束器分成兩束，然后進(jìn)入由光纖組成的環(huán)形光路(即光纖環(huán))，分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向在光纖環(huán)中傳播，最后又在分束器處會(huì)合發(fā)生干涉。陀螺圍繞垂直于環(huán)面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)將引起反向傳播的兩束光之間的相位差的變化，檢測此相位差的變化可獲得角速度。由于光纖環(huán)可以繞成多圈，使光纖長度不受限制且光纖不易損壞，因而該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)環(huán)長2800米時(shí)，陀螺的隨機(jī)漂移可為0.0002度/小時(shí)。但由于光纖陀螺是檢測順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的光束之間的相位差，使得轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度不高，不能達(dá)到現(xiàn)代空間飛行器導(dǎo)航對陀螺的要求。
伴隨科技水平的提高，激光陀螺技術(shù)得到發(fā)展，其通用結(jié)構(gòu)包括激光器和信號處理系統(tǒng)兩大部分。激光陀螺的現(xiàn)有技術(shù)之一是1997年在美國《光學(xué)快報(bào)》上發(fā)表的“高靈敏度鎖模光纖激光陀螺”(Bong Wan Lee,HoJin Jeong and Byoung Yoon Kim,“High-sensitivity mode-locked fiber lasergyroscope”,Opt.Lett.22(2),1997,pp129-131)。其激光器由半導(dǎo)體光放大器、平面反射鏡和光纖環(huán)所構(gòu)成。陀螺圍繞垂直于環(huán)面軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)使順、逆時(shí)針方向行進(jìn)的光束的光程產(chǎn)生差別，從而使各自產(chǎn)生的鎖模激光脈沖序列的脈沖間距不同，由此可檢測轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。該技術(shù)使轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度有所提高，而且不會(huì)產(chǎn)生激光陀螺常見的“閉鎖”問題，輸出信號處理較簡便；但是該技術(shù)需用保偏光纖和鎖模調(diào)制器而使結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)鎖模脈沖會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的尖峰振蕩，使其難以應(yīng)用于空間飛行器。
激光陀螺的現(xiàn)有技術(shù)之二是1999年在美國《應(yīng)用光學(xué)》雜志上發(fā)表的“大腔長環(huán)形激光陀螺的設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)”(C.H.Rowe,U.k.schreiber,S.J.cooper,B.T.king,M.poulton,and G.E.stedman,“Design and operation of a very largering laser gyroscope”,Appl.Opt.38(12),1999,pp2516～2523)。該文提出一種用環(huán)長14米的環(huán)形氦氖(He-Ne)氣體激光器實(shí)現(xiàn)的激光陀螺。它是利用激光器中順、逆時(shí)針方向行進(jìn)的兩束光之間因頻率不同所產(chǎn)生的拍頻來檢測轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，使得轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度很高，可以檢測到地球自轉(zhuǎn)角速度的10-9的水平。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，對使用環(huán)境要求苛刻，并且在啟動(dòng)時(shí)及角速度較小時(shí)產(chǎn)生“閉鎖”問題，仍然難以應(yīng)用于空間飛行器。
本發(fā)明的目的在于提供一種檢測精度較高且結(jié)構(gòu)簡單、無閉鎖的環(huán)形光纖激光陀螺。
本發(fā)明通過以下方式來實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)形光纖激光陀螺亦包括激光器和信號處理系統(tǒng)兩部分，其中信號處理系統(tǒng)仍然由光電檢測器和電信號處理電路構(gòu)成，創(chuàng)新之處在于激光器由半導(dǎo)體激光器和兩個(gè)疊置在一起的光纖環(huán)組成每個(gè)光纖環(huán)由光增益介質(zhì)與單模光纖共同構(gòu)成并且分別通過波分復(fù)用器與光纖耦合器相連從而形成環(huán)狀，即波分復(fù)用器的兩個(gè)尾端分別與光增益介質(zhì)和單模光纖的一個(gè)端頭相連，光增益介質(zhì)和單模光纖的另一個(gè)端頭再與光纖耦合器的兩個(gè)尾端分別相連；單模光纖繞在腔長控制器上，并且其上串接馬赫-曾德干涉濾波器；波分復(fù)用器的另一個(gè)尾端再與半導(dǎo)體激光器的輸出尾端相連，光纖耦合器的另一個(gè)尾端則通過光纖合束器與信號處理系統(tǒng)中的光電檢測器相連。
對以上方案的進(jìn)一步改進(jìn)是單模光纖上串接的馬赫-曾德干涉濾波器至少為兩個(gè)，各濾波器之間的光程差的比值為整數(shù)倍。
本發(fā)明是在吸取激光陀螺的檢測精度高和光纖陀螺的結(jié)構(gòu)簡單這兩方面優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上、將其有機(jī)地結(jié)合在一起。它利用半導(dǎo)體激光器、光增益介質(zhì)與單模光纖共同制成環(huán)形的光纖激光器，再與現(xiàn)有激光陀螺中的信號處理系統(tǒng)一起構(gòu)成環(huán)形光纖激光陀螺。其中光增益介質(zhì)可以是摻稀土光纖、半導(dǎo)體光放大器、激光晶體等。具體結(jié)構(gòu)為將波分復(fù)用器的兩個(gè)尾端分別與光增益介質(zhì)和單模光纖的一個(gè)端頭相連--當(dāng)采用摻稀土光纖時(shí)，使用現(xiàn)有的光纖熔接技術(shù)直接將摻稀土光纖和單模光纖的端頭與波分復(fù)用器的尾端熔連；當(dāng)采用半導(dǎo)體光放大器或激光晶體時(shí)，則通過現(xiàn)有的透鏡成象技術(shù)將其與波分復(fù)用器的尾端相連。光增益介質(zhì)和單模光纖的另一端頭則同樣分別與光纖耦合器的兩個(gè)尾端熔連。再用現(xiàn)有的光纖切割刀從單模光纖中間的任意部位(只要便于操作即可)切斷，兩斷頭分別與馬赫-曾德干涉濾波器的前、后端頭熔連，由此形成光纖環(huán)。單模光纖的一部分可以通過現(xiàn)有的光纖繞圈技術(shù)將其繞在用壓電陶瓷制作的腔長控制器上，從而調(diào)節(jié)光纖環(huán)的腔長。光纖環(huán)的腔長由光增益介質(zhì)和單模光纖兩者的長度所決定而主要取決于單模光纖的長度，兩環(huán)的腔長應(yīng)相同。摻稀土光纖的長度可以在2～4m之間選取，而半導(dǎo)體光放大器的長度可以在100～300μm之間選取，激光晶體的長度則可以在2～4cm之間選取，只要它們的激光放大作用使得環(huán)中的激光功率達(dá)到所需的檢測要求即可；單模光纖的長度可以在200～3000m之間選取，其長度可根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度要求、由現(xiàn)有的公式進(jìn)行計(jì)算。由這樣兩個(gè)同樣的光纖環(huán)疊置后放在同一個(gè)支持平面上、用現(xiàn)有的光纖固化技術(shù)將兩光纖環(huán)與支持平面膠固在一起，將半導(dǎo)體激光器的輸出尾端與波分復(fù)用器的另一個(gè)尾端熔連，從而構(gòu)成環(huán)形光纖激光器。為減小陀螺的體積，可將兩光纖環(huán)同心疊置，亦可合用一個(gè)半導(dǎo)體激光器。環(huán)形光纖激光器中的兩個(gè)光纖耦合器的另一個(gè)尾端再與光纖合束器的兩個(gè)輸入端熔連，光纖合束器的輸出端與信號處理系統(tǒng)中的光電檢測器的輸入端熔連，這樣就構(gòu)成了環(huán)形光纖激光陀螺。
在上述結(jié)構(gòu)中，單模光纖上串接的馬赫-曾德干涉濾波器至少為兩個(gè)串聯(lián)在一起，可以是兩個(gè)或三個(gè)或四個(gè)甚至更多，只要各濾波器之間的光程差的比值為整數(shù)倍。例如設(shè)馬赫-曾德干涉濾波器為三個(gè)，它們的光程差用ΔL1表示，即三個(gè)濾波器的光程差分別為ΔL1、ΔL2和ΔL3，三者之間必須滿足ΔL1∶ΔL2∶ΔL3=1∶m2∶m3，其中m2和m3為整數(shù)同一個(gè)光纖環(huán)中所串接的多個(gè)馬赫-曾德干涉濾波器可以不論光程差的大小而任意排列，兩個(gè)光纖環(huán)中所用的馬赫-曾德干涉濾波器的光程差可不相同、而它們的比值可相同。
本發(fā)明的工作過程如下由半導(dǎo)體激光器所發(fā)出的光束(取波長λ=980nm或1480nm或800nm均可)通過波分復(fù)用器耦合到光增益介質(zhì)(如摻稀土餌Er3+或釹Nd3+的光纖)中使其成為激活物質(zhì)從而形成激光。即半導(dǎo)體激光器的輸出激光束經(jīng)過波分復(fù)用器進(jìn)入光纖環(huán)，對光增益介質(zhì)進(jìn)行泵浦，使它們造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，具有激光作用；光束每繞光纖環(huán)行走一次，都因受激輻射而放大，最后形成環(huán)形激光。每個(gè)光纖環(huán)中串接多個(gè)馬赫-曾德干涉濾波器可以起到平移譜線中心波長和壓窄激光譜線寬度的雙重作用，即不僅可用各自的馬赫-曾德干涉濾波器對兩光纖環(huán)中的激光波長λ1和λ2進(jìn)行調(diào)節(jié)、使它們相近而不相同(亦即可以控制一個(gè)光纖環(huán)的譜線波長為λ1，而另一個(gè)光纖環(huán)的譜線波長為λ2)，而且可以使譜線寬度壓窄許多，當(dāng)串接兩個(gè)濾波器時(shí)至少壓窄到原始寬度的二分之一以上、串接三個(gè)濾波器時(shí)至少壓窄到原始寬度的四分之一以上，串接更多時(shí)壓窄亦更多，效果極為明顯，對拍頻的檢測非常有利。腔長控制器是用于控制各環(huán)長度，使每個(gè)光纖環(huán)的譜線中心波長可以穩(wěn)定。在每個(gè)光纖環(huán)中傳播的光束都有順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向，用光纖耦合器將一個(gè)光纖環(huán)中順時(shí)針傳播的激光束的一部分耦合到光纖合束器中，再將另一個(gè)光纖環(huán)中逆時(shí)針傳播的激光束的一部分也耦合到同一個(gè)光纖合束器中，這樣，由于兩激光束的頻率不同，在光纖合束器的輸出端中就產(chǎn)生拍頻光信號，經(jīng)光電檢測器轉(zhuǎn)換成電信號后由信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，由此即可檢測出環(huán)形光纖激光器繞垂直于光纖環(huán)所在平面的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。由現(xiàn)有公式，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可表示為Ω=(Δv-Δv0)Lλ024SΔλ]]>=(Δv-CΔλ/λ2)Lλ024SΔλ]]>其中，C為真空光速，L為光纖環(huán)長度，S是光纖環(huán)所包圍的面積，λ0是兩光纖環(huán)的波長λ1和λ2的平均波長，即λ0=12(λ1+λ2),]]>Δλ是這兩個(gè)波長的差值，即Δλ=｜λ1-λ2｜,ΔV為光纖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的拍頻頻率，ΔV0為光纖環(huán)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的初始拍頻頻率。因此，由現(xiàn)有的激光陀螺信號處理系統(tǒng)根據(jù)檢測到的拍頻頻率即可得到轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。這樣，本發(fā)明的環(huán)型光纖激光陀螺便實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)動(dòng)變量的測量。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)由于環(huán)形光纖激光器中包含了兩個(gè)光纖環(huán)，各環(huán)的激光作用是相互獨(dú)立的，無任何相互耦合作用，檢測時(shí)所用的順、逆時(shí)針傳播的兩束激光取自不同的光纖環(huán)，因此在光纖環(huán)無轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)速很慢時(shí)，激光器的輸出仍然有差頻信號，完全克服了激光陀螺中常見的閉鎖問題。(2)由于環(huán)形光纖激光器全部為光纖器件或以光纖器件為主，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)易于小型化，而且使用方便；同時(shí)還便于用三個(gè)環(huán)形光纖激光器分別放置在三個(gè)相互垂直的平面上，以構(gòu)成檢測三維轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的激光陀螺。(3)由于在光纖環(huán)中采用了光增益介質(zhì)而構(gòu)成環(huán)形光纖激光器、且每個(gè)光纖環(huán)中串接多個(gè)馬赫-曾德干涉濾波器，使得光纖環(huán)中順、逆時(shí)針傳播的激光束之頻率產(chǎn)生明顯差別，因而可以很方便地用它們的拍頻檢測轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，使得轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度大大提高。(4)由于環(huán)形光纖激光器中的大部分為單模光纖，腔長可以通過光纖繞圈而任意調(diào)節(jié)(從數(shù)百米到數(shù)千米)，它們包圍的面積很大，亦使轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度提高。本發(fā)明可以應(yīng)用于空間飛行器或航行器的轉(zhuǎn)動(dòng)測量。
附

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。為了便于理解，將兩個(gè)光纖環(huán)橫向錯(cuò)開繪制，實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)為同心疊置或近似同心疊置；圖中各部件的標(biāo)號只在其中一個(gè)光纖環(huán)上進(jìn)行標(biāo)注，另一光纖環(huán)上不再重復(fù)標(biāo)注。
附圖描述了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。從圖中可以看出，半導(dǎo)體激光器1通過波分復(fù)用器2與摻稀土光纖3相連，然后通過光纖耦合器4與單模光纖5相連，單模光纖5再回頭通過波分復(fù)用器2與摻稀土光纖3相連，從而形成光纖環(huán)；兩光纖環(huán)中的光纖耦合器4再分別與光纖合束器8相連，然后光纖合束器與信號處理系統(tǒng)中的光電檢測器9相連。半導(dǎo)體激光器(型號QLM9S470)為每環(huán)各用一個(gè)，均取波長λ=980nm；摻稀土光纖為摻餌Er3+光纖(EDF-M)，其長度為3m，單模光纖(G654)的長度為1500m，可將兩光纖環(huán)分別繞成平均直徑為140mm的圈；兩光纖環(huán)的單模光纖中串接三個(gè)馬赫-曾德干涉濾波器6，其光程差之比均為4∶2∶1，一個(gè)光纖環(huán)中的濾波器光程差ΔL1為120.13μm，另一個(gè)光纖環(huán)中的濾波器光程差ΔL1為120.28μm，均置于單模光纖中靠近光纖耦合器之處；光纖耦合器取20∶1到40∶1之間，波分復(fù)用器為980nm/1550nm，光纖合束器則取50∶50；腔長控制器7采用壓電陶瓷管(PZT-5A)的形式，兩光纖環(huán)同心疊置的支持平面由厚度為2mm、直徑為150mm的銦鋼板制成。
權(quán)利要求
1．一種環(huán)形光纖激光陀螺，由激光器及信號處理系統(tǒng)組成，其中信號處理系統(tǒng)仍然由光電檢測器和電信號處理電路構(gòu)成，其特征在于激光器由半導(dǎo)體激光器和兩個(gè)疊置在一起的光纖環(huán)組成每個(gè)光纖環(huán)由光增益介質(zhì)(3)及單模光纖(5)共同構(gòu)成并且分別通過波分復(fù)用器(2)與光纖耦合器(4)相連從而形成環(huán)狀，即波分復(fù)用器的兩個(gè)尾端分別與光增益介質(zhì)和單模光纖的一個(gè)端頭相連，光增益介質(zhì)和單模光纖的另一個(gè)端頭再與光纖耦合器的兩個(gè)尾端分別相連；單模光纖繞在腔長控制器(7)上，并且其上串接馬赫-曾德干涉濾波器(6)；波分復(fù)用器的另一個(gè)尾端再與半導(dǎo)體激光器(1)的輸出尾端相連，光纖耦合器的另一個(gè)尾端則通過光纖合束器(8)與信號處理系統(tǒng)中的光電檢測器(9)相連。
2．如權(quán)利要求1所述的環(huán)形光纖激光陀螺，其特征在于單模光纖上串接的馬赫-曾德干涉濾波器至少為兩個(gè)，各濾波器之間的光程差的比值為整數(shù)倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及對轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行測量的裝置,具體涉及利用激光及光纖技術(shù)所設(shè)計(jì)的陀螺。它利用光增益介質(zhì)3(如摻稀土光纖)和單模光纖5組成兩個(gè)同樣的光纖環(huán),疊置在一起后與半導(dǎo)體激光器1共同構(gòu)成環(huán)形光纖激光器。從兩個(gè)光纖環(huán)中分別耦合出的順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的激光束之間產(chǎn)生拍頻,由此檢測轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。它克服了現(xiàn)有激光陀螺中常見的閉鎖問題,對轉(zhuǎn)動(dòng)傳感的檢測精度高,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。本發(fā)明可以應(yīng)用于空間飛行器或航行器轉(zhuǎn)動(dòng)的測量。
文檔編號G01C19/66GK1320821SQ00104219
公開日2001年11月7日 申請日期2000年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月21日
發(fā)明者謝建平, 明海, 趙天鵬, 吳云霞, 孫曉紅, 許立新 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)