專利名稱：具有正交反向傳播模式的固體激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是尤其適用于慣性控制器的固體激光陀螺儀的領(lǐng) 域。例如，這種類型的裝置可用于航空應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
激光陀螺儀，大約研制于30年前，目前以商業(yè)規(guī)模廣泛應(yīng)用。它 的工作原理是基于賽格納克(Sagnac)效應(yīng)，該效應(yīng)令在進行旋轉(zhuǎn)運動的 雙向激光環(huán)形腔內(nèi)反向傳播的兩種光傳輸模式，稱為反向傳播模式， 之間產(chǎn)生頻率差A(yù) v。通常，旋轉(zhuǎn)運動引起的兩種光模式間的頻率差 △ v等于△ v =4AQML其中，L和A分別為腔的長度和面積；A為排除賽格納克效應(yīng)的 激光發(fā)射波長；Q為裝置的旋轉(zhuǎn)速度。通過測量A v，通過兩束出射 光之間的差拍的光譜分析獲得，可以非常精確地確定Q的值。使用一 種用于激光陀螺儀的典型的條紋計數(shù)裝置，基于差拍信號，確定系統(tǒng) 的相對角位置。在標準激光陀螺儀中，放大介質(zhì)為適當比例的氦氖原子氣體介質(zhì)。 但是，在制造激光陀螺儀時，放大介質(zhì)的氣體性質(zhì)成為技術(shù)復(fù)雜性的 根源，主要原因是所要求的高氣體純度和使用過程中腔體的過早磨損， 尤其是由于氣體泄漏和建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的高壓電極的退化。可以制造工作在可見光或近紅外區(qū)的固體激光陀螺儀，使用例如 基于摻雜稀土元素(如釹，鉺或鐿)離子的晶體放大介質(zhì)代替氦/氖氣 體混合物，通過工作在近紅外區(qū)的激光二極管提供光泵浦。這樣，就 事實上排除了放大介質(zhì)的氣體特性的所有固有問題?？墒牵祟愋偷募す馔勇輧x的結(jié)構(gòu)具有某些技術(shù)難點，某種程度 上是由于反向傳播的波在放大介質(zhì)內(nèi)干涉的事實。這是因為，如果放大介質(zhì)是Nd:YAG類型結(jié)晶固體，可以證明， 在這種介質(zhì)中，增益介質(zhì)中受激輻射引起的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵具有令雙向發(fā)射失穩(wěn)的效應(yīng)。另外，當激光陀螺儀旋轉(zhuǎn)的時候，這些光柵成為 運動光柵，通過多普勒效應(yīng)引起在激光腔內(nèi)傳播的兩束反向傳播的波 之間的頻率偏移，從而增加激光陀螺儀的頻率響應(yīng)的非線性度。也可以使用具有VECSEL (垂直外腔面發(fā)射激光器)類型垂直結(jié) 構(gòu)的半導(dǎo)體作為放大介質(zhì)。VECSEL主要包括構(gòu)成增益區(qū)的一堆活動 量子井區(qū)。增益區(qū)可以具有約100微米的直徑，接近腔內(nèi)傳播的光束 的尺寸，還允許非制導(dǎo)波的傳播，就這一點而言，垂直結(jié)構(gòu)的使用對 于陀螺儀應(yīng)用是有利的?？墒牵@種設(shè)備在傳輸中的使用是被排除的。 這是因為垂直結(jié)構(gòu)的活動量子井區(qū)必須具有與此結(jié)構(gòu)中兩束反向傳播 的波干涉形成的光柵相等的節(jié)距以使增益最優(yōu)化。當激光陀螺儀運行 的時候，光學(xué)光柵不能自由移動，因為它的最大值，也稱為波腹，必 須保持在增益區(qū)內(nèi)。這種情況下，會產(chǎn)生"增益所致的鎖頻"，事實 上這種鎖頻使得裝置不能用作激光陀螺儀。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特別有利于晶體固體激光陀螺儀的運轉(zhuǎn)，如果 可以的話也有利于在傳輸中使用的具有VECSEL型半導(dǎo)體放大介質(zhì)的 激光陀螺儀的運轉(zhuǎn)。更精確地，本發(fā)明的一個主題是激光陀螺儀，其包括被安排成令 第一和第二光波可以在腔內(nèi)反向傳播的至少一個環(huán)形光學(xué)腔和固體放 大介質(zhì)，其特征在于，所述的環(huán)形光學(xué)腔包括第一光學(xué)裝置，用于在包含放大介質(zhì)的區(qū)域外在兩個反向傳播的 光波上產(chǎn)生共同的第一線性偏振態(tài)；以及第二光學(xué)裝置，用于在包含放大介質(zhì)的區(qū)域內(nèi)在第一光波上產(chǎn)生 第二線性偏振態(tài)并在第二光波上產(chǎn)生第三線性偏振態(tài)，第三偏振態(tài)與第二偏振態(tài)正交。有利地，第二光學(xué)裝置包括兩個法拉第旋轉(zhuǎn)器，第一個置于放大 介質(zhì)的入口處，第二個置于放大介質(zhì)的出口處，第一個旋轉(zhuǎn)器使偏振態(tài)沿第一方向旋轉(zhuǎn)45° ，第二個旋轉(zhuǎn)器使偏振態(tài)沿相反方向旋轉(zhuǎn)45° 。 有利地，激光陀螺儀包括用于周期性轉(zhuǎn)換法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角 符號的裝置。有利地，第一光學(xué)裝置包括至少一個線性偏振器。第一裝置也可 以包括用于在兩個反向傳播的光波之間引入單向光相移的光學(xué)裝置。 所述的腔可以包括用于測量溫度的裝置和用于根據(jù)所述的溫度測量結(jié) 果改變相移值的裝置。必要時，第一光學(xué)裝置包括用于穩(wěn)定差拍狀態(tài)中的強度的設(shè)備，例如，如專利申請FR 03/03645或FR 03/14598所述的?？梢詫⒕哂谢パa作用的光學(xué)裝置，如波片或旋轉(zhuǎn)器，插入到腔中以最小化或消除當激光偏振面與鏡子的s面和p面不一致時激光腔鏡可能引起的不需要的相移效應(yīng)。放大介質(zhì)可以是晶體介質(zhì)，例如Nd:YAG型，或具有VECSEL型垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)。本發(fā)明也涉及角度測量或角速度測量系統(tǒng)，其包括至少一個上述激光陀螺儀。有利地，該系統(tǒng)包括三個激光陀螺儀，激光陀螺儀的腔體是定向的以在三個獨立方向進行測量。


閱讀下面結(jié)合非限定性例子和附圖給出的描述，將會更清晰地理解本發(fā)明，明顯發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其他優(yōu)點，附圖中 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的示意圖； 圖2示出基于法拉第效應(yīng)的光旋轉(zhuǎn)器的原理；以及圖3示出包含放大介質(zhì)的區(qū)域內(nèi)的偏振態(tài)。
具體實施方式
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的示意圖。其基本包括 光學(xué)環(huán)形腔1，包括鏡子5和半透明片6;固態(tài)放大介質(zhì)2，光學(xué)腔和放大介質(zhì)被安排成可令第一和第二光波 在腔內(nèi)沿相反方向傳播的方式；第一光學(xué)裝置4，用于在包含放大介質(zhì)2的區(qū)域外在兩個反向傳播 的光波上產(chǎn)生共同的第一線性偏振態(tài)；第二光學(xué)裝置30和31，用于在包含放大介質(zhì)并由所述的元件30 和31限定邊界的區(qū)域內(nèi)在第一光波上產(chǎn)生第二線性偏振態(tài)，在第二光波上產(chǎn)生第三線性偏振態(tài)，第三偏振態(tài)與第二偏振態(tài)正交；以及部件7，用于為慣性測量處理和分析兩束反向傳播的光波。 為了給出例子，第二裝置30和31為基于單向法拉第效應(yīng)的光旋 轉(zhuǎn)器。當波在具有此效應(yīng)的光學(xué)部件中往返一周后發(fā)生偏振旋轉(zhuǎn)作用 時，稱波的偏振光旋轉(zhuǎn)為"單向的"。稱光學(xué)部件為基于單向效應(yīng)的光 旋轉(zhuǎn)器。具有法拉第效應(yīng)的材料具備這種特性。它們是在磁場作用下 使經(jīng)過它們的光線的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的材料。這種效應(yīng)不是互補的。 因此，沿相反方向進入的同樣光線將在相同方向發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。 這一原理在圖2中闡明。正向經(jīng)過法拉第部件30時線性偏振光101的 偏振方向旋轉(zhuǎn)角3 (圖2中的上半部分)。如果令沿相反方向傳播、偏 振方向最初被旋轉(zhuǎn)了 的同一光束102再次射入法拉第部件，經(jīng)過部 件時它的偏振方向再一次被旋轉(zhuǎn)3，于是在往返一次后總的旋轉(zhuǎn)角度 為23 (圖2中的下半部分)。如圖3中所示，第一旋轉(zhuǎn)器30置于放大介質(zhì)2的入口，第二旋轉(zhuǎn) 器31置于放大介質(zhì)的出口，第一旋轉(zhuǎn)器導(dǎo)致偏振態(tài)沿第一方向旋轉(zhuǎn) 45° ，第二旋轉(zhuǎn)器使偏振態(tài)沿相反方向發(fā)生45°旋轉(zhuǎn)。為獲得此旋轉(zhuǎn) 變換，例如旋轉(zhuǎn)器等長，穿過它們的磁場的系數(shù)等值異號就夠了。例 如，可以使用具有相反方向引力的永久磁鐵或使用通過相反方向電流 的電感線圈來獲得此效應(yīng)。當使用有電流通過的電感線圈時，有利地，可以隨著時間周期性 變換電流方向以使某些單向效應(yīng)的平均值為零。波101的線性偏振態(tài)經(jīng)過第一旋轉(zhuǎn)器30時沿第一方向發(fā)生45度 旋轉(zhuǎn)，并帶著這個偏轉(zhuǎn)通過放大介質(zhì)2。此波的偏振態(tài)被第二旋轉(zhuǎn)器 31矯正恢復(fù)其初始偏振方向。相反地，沿相反方向進入并經(jīng)過第二旋 轉(zhuǎn)器31的波102的線性偏振態(tài)沿相反方向發(fā)生45度旋轉(zhuǎn)，并帶著這 個偏轉(zhuǎn)通過放大介質(zhì)。因此，兩個波的兩個偏振態(tài)在放大介質(zhì)2內(nèi)正 交。第二波的偏振態(tài)被第一旋轉(zhuǎn)器30矯正恢復(fù)其初始偏振方向。因為兩個偏振態(tài)是正交的，所以他們不能互相干涉。因而，消除 了所有與這種干涉關(guān)聯(lián)的缺點，如晶體固體情形下的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵 的出現(xiàn)以及VECSEL情形下增益引起的閉鎖。這種裝置還大大削弱了放大介質(zhì)引起的反向散射，從而縮減了盲區(qū)的大小。當然，為了裝置正確運轉(zhuǎn)，在兩個旋轉(zhuǎn)器和放大介質(zhì)形成的裝配 體入口處和出口處，兩個反向傳播的波的偏振態(tài)是線性且共同的，這 是非常重要的。為了這個目的，激光陀螺儀的腔包括第一光學(xué)裝置4 用于產(chǎn)生這種狀態(tài)。這些第一裝置可以是簡單的線性偏振器。這些裝置也可以實現(xiàn)其 他有利于激光陀螺儀運轉(zhuǎn)的功能。以非限定性例子方式提及為了消除 或降低盲區(qū)效應(yīng)引入的單向相移，通過被兩個偏振器包圍的法拉第旋 轉(zhuǎn)器實現(xiàn)此相移。取決于結(jié)構(gòu)，在反射光離開激光腔鏡時，導(dǎo)致激光偏振態(tài)發(fā)生不 需要的改變的相移可能會出現(xiàn)。例如這種情形，當入射偏振不在鏡子的S和P面內(nèi)時，S和P分別代表"Senkrecht"[正交]和"平行"?？?以在這種情況下使用具有互補作用的光學(xué)裝置以糾正偏振狀態(tài)。為了 給出非限定性的例子，當不包含增益介質(zhì)的區(qū)域中的兩個旋轉(zhuǎn)方向上 共同的偏振態(tài)為線性的并位于鏡子的S面內(nèi)時，插入兩個半波片，半 波片的軸與線性偏振態(tài)的方向成22.5°角，可以在包含增益介質(zhì)的區(qū)域 內(nèi)獲得交叉偏振態(tài)，偏振態(tài)位于鏡子的S面和P面內(nèi)，而不像沒有使 用這些半波片時那樣與這些面成45° 。這就避免了偏振態(tài)的任何不需要 的改變，并可以，尤其是在此例中，在激光腔兩個不同的臂中放置兩 個非互補的旋轉(zhuǎn)器。為了驗證之，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，激光腔的沿相反方向傳播的本 征偏振態(tài)在放大介質(zhì)中是正交的，在區(qū)域內(nèi)使用瓊斯矩陣計算。這在 于用以垂直于光節(jié)點的傳播方向的面為參考面的2X2矩陣表示部件對 偏振態(tài)的影響。通常，所選參考系的軸與腔內(nèi)偏振器的軸一致，從而 令數(shù)學(xué)表達式更為簡單。為了確定整套腔內(nèi)部件總的影響，確定代表 這些部件的不同矩陣的乘積的特征值就足夠了 。兩個傳播方向上的乘 積不必相同。符號CW (順時針方向)將表示模式的第一傳播方向， CCW (逆時針方向)將表示相反的傳播方向。在本例中，選擇由第一光學(xué)裝置產(chǎn)生的特征向量和與之垂直的向 量組成基。在這種情形下，第一裝置的矩陣表示為頁二>^『 0e ^沿一個傳播方向，以及 g ^沿一相反傳播方向。對應(yīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器的矩陣不依賴于傳播方向，表示為:、而，整套腔內(nèi)元件的瓊斯矩陣Mcw在第一傳播方向CW上表示為..入rnM.『=i (+4 5。)U(-4 50)=從中得出放大介質(zhì)的特征向:i _i —i i在相反方向CCW上，整套腔內(nèi)元件的瓊斯矩陣Mccw表示為:踏(i = 4 5。)U(+4 5°)=1 1從中給出放大介質(zhì)的特征向:因此向量Vcw和Vccw正交，這正是想得到的效果。 如前面提到過的，這個結(jié)果可以消除放大介質(zhì)中沿相反方向傳播 的波之間的干涉。有很多優(yōu)點如果放大介質(zhì)是Nd:YAG型晶體固體，放大介質(zhì)中受激輻射引起 的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵可以不再形成，從而消除雙向發(fā)射不穩(wěn)定性的一個 成因和激光陀螺儀旋轉(zhuǎn)時的由所述光柵引起的頻移；大大降低放大介質(zhì)中的反向散射；對于某些放大介質(zhì)，還降低了反向傳播的波之間的對抗。有利地， 在某些情況下甚至可以將其降低至零，例如用沿(1,1，0)晶軸切割的 Nd:YAG。當然，如果這個降低證明不足以消除兩個反向傳播的波之間 的對抗，任何時候都可以在腔內(nèi)引入旨在保障雙向發(fā)射的穩(wěn)定裝置；當腔內(nèi)存在補償盲區(qū)效應(yīng)的相移裝置時，可以通過連接在溫度傳 感器上的反饋控制裝置對相移裝置引入的相位角進行與腔內(nèi)溫度相關(guān) 的值的校正。例如，這樣可以補償增益介質(zhì)中的雙折射引起的兩個模 式間的相移效應(yīng)；并且由于本發(fā)明，可以使用具有VECSEL型垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體放大介 質(zhì)作為在傳輸中工作的激光陀螺儀。
權(quán)利要求
1、一種激光陀螺儀，其包括被安排成令第一和第二光波可以在腔內(nèi)反向傳播的至少一個環(huán)形光學(xué)腔(1)和固體放大介質(zhì)(2)，其特征在于，所述的腔包括第一光學(xué)裝置(4)，用于在包含放大介質(zhì)的區(qū)域外在兩個反向傳播的光波上產(chǎn)生共同的第一線性偏振態(tài)；以及第二光學(xué)裝置(30，31)，定義了包含放大介質(zhì)的區(qū)域，用于在此區(qū)域內(nèi)在第一光波上產(chǎn)生第二線性偏振態(tài)并在第二光波上產(chǎn)生第三線性偏振態(tài)，這兩個偏振態(tài)正交。
2、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，第二裝置為兩 個法拉第旋轉(zhuǎn)器，第一個置于放大介質(zhì)的入口處，第二個置于放大介 質(zhì)的出口處，第一個旋轉(zhuǎn)器使偏振態(tài)沿第一方向旋轉(zhuǎn)45°，第二個旋轉(zhuǎn) 器使偏振態(tài)沿相反方向旋轉(zhuǎn)45° 。
3、 如權(quán)利要求2所述的激光陀螺儀，其特征在于，該激光陀螺儀 包括用于周期性轉(zhuǎn)換法拉第旋轉(zhuǎn)器的旋轉(zhuǎn)角符號的裝置。
4、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，第一光學(xué)裝置 包括至少一個線性偏振器。
5、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述的腔包括 具有互補作用的光學(xué)裝置。
6、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，第一光學(xué)裝置 包括用于在兩個相反方向傳播的光波間引入單向光相移的光學(xué)裝置。
7、 如權(quán)利要求6所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述的腔包括 用于測量溫度的裝置和用于根據(jù)所述的溫度測量結(jié)果改變相移值的裝 置。
8、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，放大介質(zhì)是Nd:YAG型晶體介質(zhì)。
9、 如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，放大介質(zhì)是具 有VECSEL型垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)。
10、 一種用于角度測量和角速度測量的系統(tǒng)，其特征在于，其包 括至少一個如前述權(quán)利要求中任一項所述的激光陀螺儀。
11、 如權(quán)利要求10所述的測量系統(tǒng)，其特征在于，其包括三個激 光陀螺儀，激光陀螺儀的腔體是定向的以在三個獨立方向進行測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的固體激光陀螺儀。但是，此類激光陀螺儀的設(shè)計存在某些技術(shù)難題，某種程度上涉及反向傳播的波在放大介質(zhì)內(nèi)互相干涉的事實。本發(fā)明的激光陀螺儀包括至少一個固體放大介質(zhì)(2)和一個環(huán)形光學(xué)腔(1)，該環(huán)形光學(xué)腔包括第一光學(xué)裝置(4)，用于在包含放大介質(zhì)的區(qū)域的輸入輸出處賦予兩個反向傳播的光波第一共同線性偏振態(tài)，第二光學(xué)裝置(30，31)，用于在放大介質(zhì)內(nèi)賦予第一光波第二線性偏振態(tài)并賦予第二光波第三線性偏振態(tài)，所述偏振態(tài)正交，因而消除了所有與干涉相關(guān)的不便。
文檔編號G01C19/66GK101331382SQ200680047080
公開日2008年12月24日 申請日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月13日
發(fā)明者A·米尼奧, B·施泰因豪澤, G·皮格奈特, J-P·波楚利, S·施瓦茨 申請人:泰勒斯公司