專利名稱：基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光陀螺，尤其是涉及到一種使激光陀螺產(chǎn)生偏頻的方法。
背景技術(shù)：
激光陀螺具有動態(tài)范圍大、無加速度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)越性，是慣性系統(tǒng)尤其是 捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的理想元件，已經(jīng)大量應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。激光陀螺的原理是薩格納克 (Sagnac)效應(yīng),在它的光學(xué)諧振腔內(nèi)至少運行一對相向傳播的光波。當(dāng)它繞敏感軸相對于 慣性空間轉(zhuǎn)動時，相向行波的頻率產(chǎn)生分裂，形成正比于轉(zhuǎn)動速率的拍頻，因而通過測量拍 頻即可獲得激光陀螺相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動信息。
由于諧振腔內(nèi)相向行波間的能量耦合，激光陀螺存在閉鎖效應(yīng)，導(dǎo)致它無法測量 較低的轉(zhuǎn)速。最常見的克服閉鎖的方法是機(jī)械抖動偏頻，該方法用一個機(jī)械抖動機(jī)構(gòu)使激 光陀螺不停地以小幅度高頻率抖動，使激光陀螺不斷地快速經(jīng)過鎖區(qū)，減小閉鎖對測量的 影響。但機(jī)械抖動容易對慣性系統(tǒng)中的其它儀表產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生機(jī)械噪音，影響系統(tǒng)精度， 增加了系統(tǒng)設(shè)計的難度。
從原理上講，電磁或光學(xué)偏頻方法不存在機(jī)械抖動偏頻的缺點。光學(xué)偏頻方法有 磁鏡偏頻、磁光塞曼偏頻、磁光法拉第旋光偏頻、多模自偏頻等。磁鏡是在鏡子上鍍制一層 具有磁光效應(yīng)的薄膜，其顯著缺點是這種磁光薄膜損耗較大、而且存在一定的非互易損耗。 磁光塞曼偏頻利用增益介質(zhì)的塞曼效應(yīng)，用這種方法制成的激光陀螺能夠達(dá)到一定的精 度，但距一般的導(dǎo)航級應(yīng)用還有一定的差距，而且磁敏感性非常大。法拉第旋光偏頻對磁場 和溫度非常敏感，為此需要采用四頻差動技術(shù)，盡管如此，由于這種激光陀螺需要在腔內(nèi)放 置法拉第室，不僅增大了腔損耗，而且對鍍膜、調(diào)腔都提出了過于苛刻的要求。更詳細(xì)的信 息可以參考[Chow W ff, Banacloche J G, Pedrotti L M et al. The ring laser gyro. Reviews of Modern Physics, 1985, 57 (I) : 61-104.;姜亞南·環(huán)形激光陀螺·北京 清華大學(xué)出版社，1985.]
回饋是使激光器輸出光的一部分再反射或散射進(jìn)入到激光諧振腔，從而使激光功 率或頻率產(chǎn)生調(diào)制的現(xiàn)象。由于回饋光帶有外部回饋光路中的很多信息，因此可以利用回 饋來實現(xiàn)位移、振動、相位等物理量的精確測量[參考張書練.激光回饋技術(shù)及發(fā)展.激 光與光電子學(xué)進(jìn)展，2007，44(11) : 65-76.;張書練.正交偏振激光原理[M].北京 清華大學(xué)出版社，2005。
本發(fā)明提出一種采用光回饋來為激光陀螺提供偏頻的方法，它基本不改變現(xiàn)有機(jī) 械抖動激光陀螺的腔體，不需要在激光器腔內(nèi)光路中置入透射型光學(xué)元件，但能提供與機(jī) 械抖動類似的效果，從而非常完美的克服了閉鎖問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了克服激光陀螺的閉鎖問題，通過光回饋和外部腔調(diào)制，提供與機(jī)械 抖動類似的效果，但不用在激光陀螺腔內(nèi)增加光學(xué)元件，從而能夠利用成熟的腔體技術(shù)來獲得更好的精度。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的，可以采取如下技術(shù)方案
包括由至少3面反射鏡組成的激光陀螺和由兩面反射鏡組成的回饋外腔，通過回饋外腔的作用，改變激光方向使從激光陀螺諧振腔出射的激光重新反射到諧振腔內(nèi)部，在外腔光路中置入非互易光學(xué)裝置及程長調(diào)制裝置，在激光陀螺內(nèi)的順時針和逆時針行波內(nèi)建立偏頻，然后對外腔長度進(jìn)行交流調(diào)制和控制，實現(xiàn)偏頻的交變抖動，將激光陀螺輸出光再次反射到諧振腔內(nèi)，且使順時針光束仍進(jìn)入順時針環(huán)路，逆時針光束仍進(jìn)入逆時針環(huán)路， 弓I起激光陀螺內(nèi)部激光性質(zhì)尤其是振蕩頻率的改變。
其中，通過在諧振腔外部的光路中增加非互易光學(xué)元件(如法拉第旋光器)，使順時針光束和逆時針光束產(chǎn)生非互易性，可在激光陀螺順時針和逆時針激光之間建立頻率偏置。選擇合適的非互易元件，使頻率偏置滿足要求，然后對外腔光程進(jìn)行調(diào)制和控制，可改變非互易偏頻的大小。采用交流(或叫交變、抖動)調(diào)制的方式，可產(chǎn)生與機(jī)械抖動激光陀螺中抖動偏頻相同的效果。
該技術(shù)方案的實現(xiàn)主要基于以下原理
將順時針光束回饋到順時針光束、逆時針光束回饋到逆時針光束的條件下，激光陀螺的順時針和逆時針光波間將會產(chǎn)生頻率差[參考=AronowitZ F. Theory and Operation of a Traveling-Wave Laser. New York University, 1969.]
權(quán)利要求
1.基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，該方法具體為 包括由至少3面反射鏡組成的激光陀螺和由兩面反射鏡組成的回饋外腔，通過回饋外腔的作用，改變激光方向使從激光陀螺諧振腔出射的激光重新反射到諧振腔內(nèi)部，在外腔光路中置入非互易光學(xué)裝置及程長調(diào)制裝置，在激光陀螺內(nèi)的順時針和逆時針行波內(nèi)建立偏頻，然后對外腔長度進(jìn)行交流調(diào)制和控制，實現(xiàn)偏頻的交變抖動，將激光陀螺輸出光再次反射到諧振腔內(nèi)，且使順時針光束仍進(jìn)入順時針環(huán)路，逆時針光束仍進(jìn)入逆時針環(huán)路，引起激光陀螺內(nèi)部激光性質(zhì)尤其是振蕩頻率的改變； 其中，非互易光學(xué)元件為法拉第旋光器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，基于外腔回饋的激光陀螺偏頻一種實現(xiàn)方式為包括激光陀螺(I)和由第五反射鏡(6)、第六反射鏡(7)、程長調(diào)制裝置(12)、非互易光學(xué)裝置(8)組成的回饋外腔，其中激光陀螺(I)由反射鏡I (2)、反射鏡II (3)、反射鏡III (4)、反射鏡IV (5)組成；從反射鏡II (3)透射的激光被回饋外腔中第五反射鏡(6)和第六反射鏡(7)改變方向，重新從反射鏡IV(5)進(jìn)入到激光陀螺諧振腔，同理，從反射鏡IV (5)透射的激光從反射鏡II (3)重新進(jìn)入激光陀螺諧振腔；由于外腔回饋的作用，激光陀螺諧振腔內(nèi)順時針和逆時針光波之間增加了一項頻率差 ，通常 ，利用三角函數(shù)的公式可以得到
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，第五反射鏡(6 )和第六反射鏡(7 )采用高反射率反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，非互易光學(xué)裝置(8)結(jié)構(gòu)為，法拉第旋光器(11)放置在波片I (9)和波片II(IO)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，外腔調(diào)制器件(12)可以通過在第五反射鏡(6)或第六反射鏡(7)上粘一個壓電陶瓷驅(qū)動器來實現(xiàn)，也可采用電光調(diào)制器件來實現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，基于外腔回饋的激光陀螺偏頻另一種實現(xiàn)方式為反射鏡IV(5)、反射鏡V (20)、反射鏡VI (21)、反射鏡Vn (22)、非互易光學(xué)裝置I (23)及程長調(diào)制裝置I (24)組成一個回饋外腔，激光陀螺(I)由反射鏡I (2)、反射鏡II (3)、反射鏡III (4)、反射鏡IV (5)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法，其特征在于，非互易光學(xué)裝置的結(jié)構(gòu)為在法拉第旋光器I (31)兩端面設(shè)置波片111(28)和波片IV (29)，在波片III(28)對外的側(cè)面上鍍上增透膜(27)，波片111(28)和波片IV (29)為通過鍍膜制作的1/4波片，它們的快軸方向互相正交。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于外腔回饋的激光陀螺偏頻方法。具體為在激光陀螺腔外建立一個回饋外腔將順時針光束再次反射進(jìn)激光諧振腔，在外腔光路中放置非互易光學(xué)裝置，使順時針和逆時針光波的回饋光波產(chǎn)生相位差，從而在激光陀螺的順時針和逆時針光波間建立頻率偏置。在回饋外腔光路中放置程長調(diào)制器件，對外腔光程進(jìn)行調(diào)制，從而調(diào)制激光陀螺的頻率偏置，得到與機(jī)械抖動類似的效果。采用濾波技術(shù)在激光陀螺讀出裝置中將調(diào)制信號濾除，就得到了激光陀螺測量的角速度信號。這種方法不會產(chǎn)生機(jī)械噪聲，而且可以采用非常高的調(diào)制頻率，從而增大激光陀螺的響應(yīng)速度。
文檔編號G01C19/64GK103033178SQ201210350979
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者汪之國, 王飛, 肖光宗 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)