CN101008568A - 无盲区四模式稳定固态激光陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量旋转速度或相对角位置的固态激光陀螺仪。这种设备尤其是用于航天应用中。本发明的目的是采用消除盲区而不增加测量偏差的特殊光学装置，来完善用于控制环形固态激光器的不稳定性所需的光学装置。以这种方式获得没有移动部件、稳定、而又无盲区的“全光学”固态激光器。特别地，这些装置包括偏振分离光学装置(8，9)、可逆光旋转器(4)和非可逆(5，13)光旋转器，它们被布置成使得四个线性偏振光学模式以充分不同的频率在腔(1)中穿越，以避免模式闭锁。

Description

无盲区四模式稳定固态激光陀螺仪

技术领域

本发明涉及用于测量旋转速度或角度位置的固态激光陀螺仪。这种设备尤其是用于航空应用。

背景技术

约三十年前开发出了激光陀螺仪，现在已经广泛地销售并应用。它们的操作基于萨格奈克(Sagnac)效应，其导致来自旋转双向环形激光腔、在相反方向上传播的、被称为逆向传播的两个光学发射模式问的频率差Ω。典型的，频率差Ω为：

其中L和A分别是腔长度和面积；λ为排除Sagnac效应的激光发射平均波长；ω为激光陀螺仪的角旋转速度(angular rotation speed)。

通过对两发射光束的差拍(beat)的光谱分析而获得的Ω值用于非常精确地取得

值。对在角位置改变期间推进的(advancing)差拍条纹(beat fringes)进行电子计数，还极其精确地提供了角位置的相对值。

制造激光陀螺仪需要克服几个技术难题。首先即是关系到两光束间的差拍的质量，其确定该激光器的修正操作。对于要修正的差拍，需要在两方向上发射的强度适当稳定并相对相似。但是在固态激光器的情况下，由于模式之间的竞争(mode-mode competition)而不能保证稳定性和相似性，模式之间的竞争使两逆向传播模式之一独占可用的增益，而损害了其它的模式。对于固态环形激光器的双向发射不稳定的问题可通过实施逆向作用环(counter-reaction loop)来解决，该环意于将两逆向传播模式的强度之差控制在固定值左右。该环通过下列方式作用于该激光器上，即，通过把它的损耗与传播方向联系起来，例如利用可逆旋转元件、非可逆旋转元件和偏振元件(专利申请No.0303645)，或者通过将其增益与传播方向联系起来，例如利用可逆旋转元件、非可逆旋转元件以及偏振发射晶体(专利申请No.0314598)。一旦受控，该激光器发射两束具有稳定强度的逆向传播的光束，并可用作激光陀螺仪。

第二个技术难题关系到低旋转速度，既然激光陀螺仪只在超过给定旋转速度时正确工作。在低旋转速度下，因为腔内所存在的不同光学元件的光的反向散射，所以Sagnac差拍信号会由于两逆向传播模式的耦合即所谓闭锁而消失。观察到该现象的旋转速度范围通常被称作盲区，并对应于数万赫兹的最小拍频。该问题不是固态激光器固有的：气体激光陀螺仪也遭遇该问题。对于第二种激光陀螺仪的最通常的解决办法就是通过给予其强迫的、已知的运动而机械启动该装置，该运动尽可能经常地人工将其置于盲区外。

发明内容

本发明的目的是采用消除盲区而不增加测量偏差的特殊光学装置，来完善用于控制固态激光器的不稳定性所需的光学装置。以这种方式获得没有移动部件、稳定的、无盲区的“完全光学”固态激光器。

更精确的是，本发明涉及一种激光陀螺仪，其至少包括：

·环形光学腔；

·固态放大器(amplifier)介质；

·从动(slaving)装置，其包括由第一非可逆光旋转器和光学元件构成的第一光学组件，该元件或者是可逆光旋转器，或者是双折射元件，其中该效应或双折射中的至少一个是可调的；

·以及测量仪器；

其特征在于，所述腔还包括：

·第二光学组件，其由第一空间滤光装置和第一偏振分离光学元件构成；

·第三光学组件，其由第二空间滤光装置和第二偏振分离光学元件构成，第二和第三光学组件位于第一光学组件两侧，并且互相对称；

·第四光学组件，其由第一四分之一波片、第二非可逆光旋转器和第二四分之一波片连续构成，第二四分之一波片的主轴垂直于第一四分之一波片的主轴；

从而使第一线性偏振传播模式和垂直于第一线性偏振传播模式而线性偏振的第二传播模式能够在腔内以第一方向传播，并且平行于第一传播模式而线性偏振的第三传播模式、和平行于第二模式而线性偏振的第四传播模式能够在腔内以相反的方向传播，其中第一四分之一波片的主轴和第二四分之一波片的主轴相对于四个传播模式的线性偏振方向倾斜45度，并且四个模式的光学频率都不同。

有利的是，测量***包括：

·光学装置，其一方面使第一传播模式与第三传播模式相干涉，而另一方面，使第二模式和第四模式相干涉；

·光电装置，其一方面用于确定第一传播模式和第三传播模式之间的第一光频差，而另一方面，用于确定第二传播模式和第四模式之间的第二光频差；

·电子装置，其用于获得上述第一频差和上述第二频差之间的差值。通常第一频差和第二频差大于约一百千赫兹。为了获得角位置，最终频差可以通过电子条纹计数装置在时间上进行积分。

有利的是，腔包括双折射延迟片。

在优选实施例中，偏振分离第一光学元件和第二光学元件是带有平的平行侧面的双折射延迟片，双折射轴相对于两侧的平面倾斜45度。

有利的是，从动装置至少包括第五光学组件，其由第三非可逆光旋转器和第二光学元件组成，该光学元件或者是双折射元件，或者是可逆光旋转器，它们的双折射和可逆效应是可调节的；第一和第三传播模式穿越第一非可逆光旋转器和第一光学元件。特别是，该双折射元件是双折射延迟片，例如四分之一波片。

附图说明

通过阅读以下的非限制性说明书和附图，本发明将得到更好地理解并展现其它优势，其中：

·图1为根据本发明的激光陀螺仪的概略图；

·图2示出可逆光旋转器的工作原理；

·图3示出非可逆光旋转器的工作原理；

·图4a示出偏振分离双折射延迟片的工作原理；

·图4b示出通用的琼斯形式(Jones formalism)的延迟片的等效图；

·图5示出在直接传播方向上的第一、第二和第三光学组件的工作；

·图6示出在实施例的变体中在直接传播方向上的第一、第二和第三光学组件的工作；

·图7示出对于第一和第二传播模式而言，第四光学组件的工作。

具体实施方式

根据本发明的特定装置必须实现三个特定功能：

·自动控制逆向传播模式的强度；

·消除盲区；

·不引入测量偏差。

为了实现这些功能，该装置在腔内产生以不同频率线性偏振的四个光学模式。第一和第二传播模式在腔内部以第一方向传播，第二模式垂直于在第四光学组件外部的第一模式而线性偏振，并在第四光学组件内部环绕。第三和第四模式以相反的方向传播，第三传播模式平行于第一模式而线性偏振，而第四传播模式平行于第四光学组件外部的第二模式而线性偏振，并在第四光学组件内部环绕。

根据本发明通过图1所示的激光陀螺仪产生并控制这四个模式，其中，光学元件为可逆光旋转器。其主要包括：

·环形光学腔1，其包括至少一个部分反射镜11以处理腔外的逆向传播模式；

·固态放大介质2；

·从动装置3，其控制光旋转器4和5(图上的虚线箭头)；

·测量仪器6；

·光学***，其包括：

о第一光学组件，其由第一非可逆光旋转器5和可逆光旋转器4构成；

о第二光学组件，其由第一空间滤光装置7和第一偏振分离光学元件8构成；

о第三光学组件，其由第二空间滤光装置10和第二偏振分离光学元件9构成，第二和第三光学组件位于第一光学组件两侧，并且互相对称；

·第四光学组件，其由第一四分之一波片12、第二非可逆光旋转器13和第二四分之一波片14连接构成，第二四分之一波片14的主轴相对于第一四分之一波片的主轴旋转90°。

光学***包括可逆光旋转器4和非可逆光旋转器5。当波在具有这种特性的光学组件中被反射后(去和返)，在偏振旋转的效应叠加时，波的偏振的光学旋转被称为非可逆的。该光学组件被称为非可逆光旋转器。例如，具有法拉第效应的材料是这样一种材料，即，当置于磁场中时，旋转通过它的光束的偏振面。该效应是不可逆的。因此，在相反方向上传输的相同光束将使它们的偏振面在相同方向上旋转。该原理在图3中示出。当线性偏振光束101在直接方向(direct sense)上通过具有法拉第效应的组件5时(图3的上图)，该线性偏振光束101的偏振方向被旋转角β。如果我们向具有法拉第效应的组件中再次射入以相反方向传播并且其偏振方向最初被旋转角β的相同光束103，那么在通过该组件时它的偏振方向被再旋转角β，在反射后其总旋转角度为2β(图3的下图)。

在传统的可逆旋转器4中，偏振方向在直接方向上旋转+α，而在相反的传播方向上旋转-α，因此获得初始偏振方向，如图2的框图所示。

光学***也包括两个偏振分离光学元件。存在多种几何结构，保证偏振光束的分离。例如，图4a示出双折射延迟片8，其线性地分离偏振光束。该延迟片包括两个平的平行侧面，并从单轴双折射晶体切割而来，单轴双折射晶体的特征在于普通光学系数和特别的光学系数。

延迟片内的普通光学系数的变化为球形，而特别光学系数的变化为椭圆形，如图4a虚线所示。根据图中由倾斜的双箭头所示的优选方向(光轴)，普通和特别的光学系数是相等的。延迟片沿着从该方向倾斜45度的平面进行切割。当第一线性偏振光束101以普通入射撞击进入双折射延迟片的入口侧时，经证明其通过延迟片而不改变方向。当垂直于光束101而线性偏振的第二光束102以普通入射撞击进入双折射延迟片的入口侧时，经证明当通过延迟片时其空间偏移。因此，当两光束101和102离开双折射延迟片时，如图4a所示，它们互相平行并且以间隔d分开，间隔d取决于延迟片的光学特性和厚度。

光学***的工作如图5所示。该图示出第一传播模式101的通路，以及通过第一光学组件而线性偏振的第二传播模式102的通路。在第一空间滤光装置7之前，第一模式101的线性偏振位于纸张的平面，而第二模式102的线性偏振垂直于纸张的平面。这些偏振方向如直箭头所示。显然，第一空间滤光器(filtering)维持这些偏振方向。

具有强度I₁的第一传播模式通过第一偏振分离光学元件8，平行于其入射方向射出，如图所示偏移d。接下来，它通过可逆旋转器4和第一非可逆旋转器5。结果，通过第一元件后它的偏振方向被旋转角度α，而通过第二元件后被旋转角度α+β。在第一旋转器的出口处，第一模式的线性偏振可分解为两个垂直分向量，第一分向量平行于初始方向，而强度等于初始强度I₁乘以系数cos²(α+β)的值，第二分向量垂直于初始方向，而强度等于初始强度I₁乘以系数sin²(α+β)的值。第一分向量通过第二偏振分离光学元件9，并被偏移-d，此第二光学元件对称于第一光学元件被定位，从而该分向量通过第二光学滤光器10而不衰减，第二滤光器定位在与第一滤光器相同的轴上。第二分向量通过第二偏振分离光学元件，没有偏移(图5的点箭头)，从而不能通过第二滤光器。因此在末端，第一模式以系数cos²(α+β)衰减。同样，第二传播模式102也以相同的系数被衰减而示出。以相反方向传播的第三和第四传播模式也以通常的系数被衰减。容易证明，该第二系数为cos²(α-β)。必须注意的是，光束分离元件中的光束损耗可最终传送至从动***的光电检测器上，从而提供光束强度数据。

还必须注意到，可逆相位差经常出现在这种装置的两偏振状态之间。该相位差是有用的，因为其响应于能够避免频率闭锁的偏差，但是其值不必足够高。如果需要，通过在腔内***的双折射元件能够引起附加的相位差。

因此，模式根据其传播方向而衰减不同，并且该衰减直接取决于两模式的偏振所经历的效应的重要性。因此，通过由两模式的偏振经过从动装置所经历的效应而改变两个值α或β中的至少一个，可能改变逆向传播模式的强度。因此，不同模式的强度被控制在常数值左右。

在该结构中，一方面是第一和第二传播模式，另一方面是第三和第四传播模式，它们都以相同的方式被衰减。通过采用两独立的反作用环，每一个环影响不同偏振，在相同方向上的模式传播中可获得不同衰减值。该原理在图6中示出。在第二和第三光学组件之间***两个光学组件，其中第二和第三光学组件各包括空间滤光器和偏振分离光学元件，每个***的光学组件由非可逆光旋转器5或51以及可逆光旋转器4或41组成；由图6中未示出的从动装置独立控制这两个集合(ensembles)。当然，两偏振光束间的分开距离d应当足够使不同的旋转器被设立。在这种结构中，如图6所示的光束的分离路径上能够放置放大介质2。然后，在两不同点处发生光泵浦，光阑10保证分离装置外的光束的空间重叠。本发明的变体具有附加的优势，在考虑增益时四模式可完全分离，因此消除了模式间的竞争效应。

图7示出第四光学组件的工作。当线性偏振光学模式101(图7的右箭头)通过第一四分之一波片12时，如果由双箭头代表的该延迟片的主轴相对于偏振方向被倾斜45度，那么该模式以右圆形偏振(right circular polarization)退出(图7的全部半圆环箭头)。

当通过第二光学非可逆旋转器13时，该圆形偏振波经历非可逆相位差γ。然后，该波被第二四分之一波片14再次转变为线性偏振波，第二四分之一波片14的主轴垂直于第一四分之一波片的主轴。因此，通过此第四光学组件在模式中引入非可逆相位差，而保留波的线性偏振。当然，如果该波被线性偏振并垂直于101方向，那么其被转变为左圆形(left circular)偏振波，并经历非可逆相位差-γ。

因此，采用以上装置可能在腔内产生两个接两个(two by two)地在相反方向上传播的四模式，以可控方式可变地对它们进行衰减，从而将它们维持在相同的强度水平，并且对这些模式引入可逆和非可逆的相位差。为了确定自然模式(natural mode)及其频率，采用Jones矩阵形式。在通常情况下，这在于通过参考垂直于光学模式的传播方向的平面的2×2矩阵，来表示光学传播模式中的组件的影响。在这种情况下，我们采用适于腔中可能有两传播路径的情况的通用Jones形式，如前所见。路径被称为上或“顶”路径以及下或“底”路径。在这种情况下，有代表性的矩阵为4×4矩阵。在正交化参数(x，y)中，它们的轴在垂直于光束传播方向的平面上，由具有四个分向量(T_x，T_y，B_x，B_y)的矢量描述该光学模式的电场，其中(T_x，T_y)为沿着顶路径的电场的Jones矢量，(B_x，B_y)为沿着图4b所示的底路径的电场的Jones矢量，其中该光学路径被表示在相对于其光轴8进行45°切割的单轴双折射延迟片内。

为了获得所有腔内分向量的最终影响，我们仅仅确定表示这些分向量的不同矩阵的乘积的自然(natural)状态。该乘积不必是可交换的，所以矩阵可根据光束传播方向而改变。

在这种形式中可以看到，当由双折射晶体相对于其光轴切割45度所构成的第一偏振分离光学元件在适当的传播方向上被穿越时，作为具有两入口和两出口、“顶”和“底”的组件进行下列工作：

·发送B_x和T_x，其平行于其自身上的普通轴而传播，

·通过在Ty和0上分别发送它们而“提高”B_y和T_y，B_y和T_y平行于特别轴传播。

矢量T_y由晶体侧面截住或者不与腔的传播轴对准，并且不能振荡。

当以相反方向穿越时，晶体自然“降低”B_y和T_y，而B_x和T_x保持不变。

整个腔双折射在两偏振态之间引入φ/2相位差。因此，根据传播方向表示第一或第二偏振分离光学元件的Jones矩阵，其中，光束上升：

$C_{\↑}\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-\mathrm{i\φ}/4}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& e^{\mathrm{i\φ}/4}\\ 0& 0& e^{-\mathrm{i\φ}/4}& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

当以相反传播方向穿越时，第一(或第二)偏振分离光学元件降低光束。因此矩阵为：

$C_{\↓}\left(\mathrm{\φ}\right)=\left[\begin{array}{cccc}{e}^{-\mathrm{i\φ}/4}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& e^{-\mathrm{i\φ}/4}& 0\\ 0& e^{\mathrm{i\φ}/4}& 0& 0\end{array}\right]$

空间滤光装置矩阵为：

<math> <mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>1</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mfenced> </mrow> </math>

不引入横向效应的元件，它的2×2Jones矩阵为矩阵m，将具有下面的4×4矩阵形式：

因此，装置中出现的其它元件的矩阵可写为如下：

对于在被称为直接方向的旋转方向上穿越的可逆旋转器，矩阵R₊(α)为：

$R_{+}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& -\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0& 0\\ \sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& -\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ 0& 0& \sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\end{array}\right]$

对于在被称为相反方向的相反旋转方向上穿越的可逆旋转器，矩阵R(α)为：

$R_{-}\left(\mathrm{\&alpha;}\right)=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0& 0\\ -\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\\ 0& 0& -\sin \left(\mathrm{\&alpha;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&alpha;}\right)\end{array}\right]$

对于非可逆旋转器，该矩阵独立于传播方向，并为

$F\left(\mathrm{\&beta;}\right)=\left[\begin{array}{cccc}\cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)& -\sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)& 0& 0\\ \sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)& -\sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)\\ 0& 0& \sin \left(\mathrm{\&beta;}\right)& \cos \left(\mathrm{\&beta;}\right)\end{array}\right]$

对于被旋转45度的四分之一波片，该矩阵为：

$L_1=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}1& -i& 0& 0\\ -i& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& -i\\ 0& 0& -i& 1\end{array}\right]$

对于被旋转135度的四分之一波片，该矩阵为：

$L_2=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{cccc}1& i& 0& 0\\ i& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& i\\ 0& 0& i& 1\end{array}\right]$

对于在直接方向和在相反方向传播的模式，通过简单乘法能够获得在腔中存在的所有光学装置的矩阵J₊和J_-：

$J_{+}=L_2.F\left(\mathrm{\&gamma;}\right){.L}_1.D{.C}_{\&DownArrow;}\left(\mathrm{\&phi;}\right).F\left(\mathrm{\&beta;}\right){.R}_{+}\left(\mathrm{\&alpha;}\right){.C}_{\&UpArrow;}\left(\mathrm{\&phi;}\right).D=$

$\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& \cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})e^{-i(\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;})}& 0\\ 0& 0& 0& \cos (\mathrm{\&alpha;}+\mathrm{\&beta;})e^{i(\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;})}\end{array}\right]$

以及

$J.=L_1.F\left(\mathrm{\&gamma;}\right).L_2.D.C_{\&DownArrow;}\left(\mathrm{\&phi;}\right).F\left(\mathrm{\&beta;}\right).R.\left(\mathrm{\&alpha;}\right).C_{\&UpArrow;}\left(\mathrm{\&phi;}\right).D=$

$\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& \cos (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})e^{-i(\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;})}& 0\\ 0& 0& 0& \cos (\mathrm{\&alpha;}-\mathrm{\&beta;})e^{i(\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;})}\end{array}\right]$

知道矩阵J₊和J_-有助于确定可在腔中传播的光学模式的自然状态。在每个传播方向上存在两个沿着x和y轴的不同的自然状态，即，总共四个自然状态，如下：

·(+，x)：在第一传播方向上对于水平线性偏振传播的自然状态；

·(+，y)：在第一传播方向上对于垂直线性偏振传播的自然状态；

·(-，x)：在相反传播方向上对于水平线性偏振传播的自然状态；

·(-，y)：在相反传播方向上对于垂直线性偏振传播的自然状态；

自然状态(+，x)和(+，y)的模(modulus)等于cos(α+β)，其中，自然状态(-，x)和(-，y)的模等于cos(α-β)。该模随传播方向而不同，因此可能通过改变两系数α或β之一而以常数强度差来控制逆向传播模式。

如果激光陀螺仪不旋转，典型地，长度为L的环形激光腔内光学模式的频率v与相位差Φ相关，该模式每绕腔旋转一次后经历该相位差Φ：

其中n为整数

对于给定的n值，不同自然状态的频率因此为：

对于模(+，y)， $v(+,x)\frac{c}{L}[n+\frac{\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]$

对于模(x，y)， $v(+,y)=\frac{c}{L}[n-\frac{\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]$

对于模(-，x)， $v(-,x)=\frac{c}{L}[n+\frac{\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]$

对于模(-，y)， $v(-,y)=\frac{c}{L}[n-\frac{\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]$

当腔旋转时，通过Sagnac效应使固有频率偏移±Ω/2的频率，其符号取决于模式传播方向。在这种情况下该模式的频率为：

对于模(+，x)， $v(+,x)=\frac{c}{L}[n+\frac{\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]+\frac{\mathrm{\&Omega;}}{2}$

对于模(+，y)， $v(+,y)=\frac{c}{L}[n-\frac{\mathrm{\&phi;}/2-\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]+\frac{\mathrm{\&Omega;}}{2}$

对于模(-，x)， $v(-,x)=\frac{c}{L}[n+\frac{\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]-\frac{\mathrm{\&Omega;}}{2}$

对于模(-，y)， $v(-,y)=\frac{c}{L}[n-\frac{\mathrm{\&phi;}/2+\mathrm{\&gamma;}}{2\mathrm{\&pi;}}]-\frac{\mathrm{\&Omega;}}{2}$

严格来说，如果要精确确定光学模式的频率，则由于双折射和Sagnac效应而导致的腔长度的变化应当被考虑进去。可以看出，这些效应是可以忽略的，并不影响测量的精度。

为了避免模式间的耦合和出现盲区，应当保证充分的频率分离。因此，项(c/2πL)γ和(c/2πL)(-2γ)都必须大于由期望用于激光陀螺仪的工作范围所确定的一组最小值。为了保证该条件，适当地简单形成可逆和非可逆旋转器的光学和几何参数的尺寸。

一方面光束(+，x)和(-，x)的差拍，另一方面光束(+，y)和(-，y)的差拍，产生两拍频v1和v2，使得：

$v_1=|v(-,x)-v(+,x)=\frac{c}{L}\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&pi;}}-\mathrm{\&Omega;}|$ 并且 $v_2=|v(-,y)-v(+,y)=\frac{c}{L}\frac{\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&pi;}}+\mathrm{\&Omega;}|$

两频率之差Δv为：

Δv＝v₁-v₂＝2Ω

因此，通过测量Δv获得拍频Ω，以确定角旋转速度。该值独立于腔偏差值和其中的任何波动。

采用测量仪器执行确定频率差Δv的不同工作，该测量仪器包括：

·光学装置，其一方面使第一传播模式(+，x)与第三传播模式(-，x)相干涉，而另一方面使第二传播模式(+，y)与第四传播模式(-，y)相干涉；通过一方面使(+，x)与(-，y)相干涉而另一方面使(+，y)与(-，x)相干涉，变体是可能的；

·光电装置，其一方面确定第一传播模式和第三传播模式间的第一光频差v₁，而另一方面确定第二传播模式和第四传播模式间的第二频率差v₂；

·电子装置，其用于获得第一频率差和第二频率差v₂之间的频率差Δv。

在腔中引入光学标准型法布里-珀罗(Fabry-Perot)也许有用。当然，它不能太好(fine)以致于不能避免不同模式频率的太强的耦合。有利的是，相对于光束传播方向倾斜该标准的侧面，以避免玻璃反射的传播。

当然可能装配多个根据本发明的激光陀螺仪，以建立沿着三个不同轴的角速度测量***，该***包括例如安装在普通机械结构上的三个激光陀螺仪。

Claims (8)

1.根据固定旋转轴测量角速度或相对角位置的激光陀螺仪，其至少包括：

·环形光学腔(1)；

·固态放大介质(2)；

·从动装置(3)，其至少包括由第一非可逆光旋转器(5)和光学元件构成的第一光学组件，所述光学元件或者是可逆光旋转器(4)，或者是双折射元件，而该效应或双折射中的至少一个是可调的；

·以及测量仪器(6)；

其特征在于，所述腔(1)还包括：

·第二光学组件，其由第一空间滤光装置(7)和第一偏振分离光学元件(8)构成；

·第三光学组件，其由第二空间滤光装置(10)和第二偏振分离光学元件(9)构成，第二和第三光学组件位于第一光学组件两侧并且互相对称；

·第四光学组件，其由第一四分之一波片(12)、第二非可逆光旋转器(13)和第二四分之一波片(14)连续构成，第二四分之一波片(14)的主轴垂直于第一四分之一波片的主轴；

从而使第一线性偏振传播模式和垂直于第一线性偏振传播模式而线性偏振的第二传播模式能够在腔内以第一方向传播，平行于第一模式而线性偏振的第三传播模式和平行于第二模式而线性偏振的第四传播模式能够在腔内以相反的方向传播，而第一四分之一波片的主轴和第二四分之一波片的主轴相对于四个传播模式的线性偏振方向倾斜45度，并且四个模式的光学频率都不同。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于，该腔包括双折射延迟片，其有助于引起或增加垂直偏振态之间的频率差。

3.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于，该测量装置(6)包括：

·光学装置，其一方面使第一传播模式与第三传播模式相干涉，另一方面使第二模式和第四模式相干涉；

·光电装置，其一方面用于确定第一传播模式和第三传播模式之间的第一光频差，而另一方面用于确定第二传播模式和第四传播模式之间的第二频差；

·电子装置，其用于获得上述第一频差和上述第二频差之间的频差。

4.根据权利要求3所述的激光陀螺仪，其特征在于，第一频差和第二频差大于约100千赫兹。

5.根据上述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于，第一光学元件(8)和第二偏振分离光学元件(9)是单轴双折射延迟片，具有平的平行侧面，光轴相对于侧面的平面倾斜约45度。

6.根据上述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于，从动装置(3)至少包括第五光学组件，其由第三非可逆光旋转器(51)和第二光学元件构成，所述光学元件或者是可逆光旋转器(41)，或者是双折射元件，而效应或双折射的至少一个是可调的，并独立于第一光学组件进行调节；第一传播模式和第三传播模式通过第一非可逆光旋转器和第一光学元件，第三传播模式和第四传播模式通过第三非可逆光旋转器和第二光学元件。

7.根据上述权利要求之一所述的激光陀螺仪，其特征在于，腔(1)包括光学标准型法布里-珀罗Fabry-Perot。

8.沿着三个不同轴测量角速度或相对角位置的***，其特征在于，其该***包括三个根据上述权利要求之一的激光陀螺仪，这些激光陀螺仪被定位在不同方向上并被安装在普通机械结构上。

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