CN103033178B - 基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法。具体为在激光陀螺腔外建立一个回馈外腔将顺时针光束再次反射进激光谐振腔，在外腔光路中放置非互易光学装置，使顺时针和逆时针光波的回馈光波产生相位差，从而在激光陀螺的顺时针和逆时针光波间建立频率偏置。在回馈外腔光路中放置程长调制器件，对外腔光程进行调制，从而调制激光陀螺的频率偏置，得到与机械抖动类似的效果。采用滤波技术在激光陀螺读出装置中将调制信号滤除，就得到了激光陀螺测量的角速度信号。这种方法不会产生机械噪声，而且可以采用非常高的调制频率，从而增大激光陀螺的响应速度。

Description

基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法

技术领域

本发明涉及激光陀螺，尤其是涉及到一种使激光陀螺产生偏频的方法。

背景技术

激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单等优越性，是惯性***尤其是捷联惯性***的理想元件，已经大量应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理是萨格纳克（Sagnac）效应，在它的光学谐振腔内至少运行一对相向传播的光波。当它绕敏感轴相对于惯性空间转动时，相向行波的频率产生***，形成正比于转动速率的拍频，因而通过测量拍频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。

由于谐振腔内相向行波间的能量耦合，激光陀螺存在闭锁效应，导致它无法测量较低的转速。最常见的克服闭锁的方法是机械抖动偏频，该方法用一个机械抖动机构使激光陀螺不停地以小幅度高频率抖动，使激光陀螺不断地快速经过锁区，减小闭锁对测量的影响。但机械抖动容易对惯性***中的其它仪表产生干扰，产生机械噪音，影响***精度，增加了***设计的难度。

从原理上讲，电磁或光学偏频方法不存在机械抖动偏频的缺点。光学偏频方法有磁镜偏频、磁光塞曼偏频、磁光法拉第旋光偏频、多模自偏频等。磁镜是在镜子上镀制一层具有磁光效应的薄膜，其显著缺点是这种磁光薄膜损耗较大、而且存在一定的非互易损耗。磁光塞曼偏频利用增益介质的塞曼效应，用这种方法制成的激光陀螺能够达到一定的精度，但距一般的导航级应用还有一定的差距，而且磁敏感性非常大。法拉第旋光偏频对磁场和温度非常敏感，为此需要采用四频差动技术，尽管如此，由于这种激光陀螺需要在腔内放置法拉第室，不仅增大了腔损耗，而且对镀膜、调腔都提出了过于苛刻的要求。更详细的信息可以参考[Chow W W, Banacloche J G, Pedrotti LM et al. The ring laser gyro. Reviews of ModernPhysics, 1985, 57(1): 61-104.; 姜亚南. 环形激光陀螺. 北京：清华大学出版社, 1985.]

回馈是使激光器输出光的一部分再反射或散射进入到激光谐振腔，从而使激光功率或频率产生调制的现象。由于回馈光带有外部回馈光路中的很多信息，因此可以利用回馈来实现位移、振动、相位等物理量的精确测量[参考：张书练. 激光回馈技术及发展. 激光与光电子学进展, 2007, 44(11): 65-76.; 张书练. 正交偏振激光原理[M]. 北京:清华大学出版社, 2005。

本发明提出一种采用光回馈来为激光陀螺提供偏频的方法，它基本不改变现有机械抖动激光陀螺的腔体，不需要在激光器腔内光路中置入透射型光学元件，但能提供与机械抖动类似的效果，从而非常完美的克服了闭锁问题。

发明内容

本发明是为了克服激光陀螺的闭锁问题，通过光回馈和外部腔调制，提供与机械抖动类似的效果，但不用在激光陀螺腔内增加光学元件，从而能够利用成熟的腔体技术来获得更好的精度。

为实现本发明目的，可以采取如下技术方案：

包括由至少3面反射镜组成的激光陀螺和由两面反射镜组成的回馈外腔，通过回馈外腔的作用，改变激光方向使从激光陀螺谐振腔出射的激光重新反射到谐振腔内部，在外腔光路中置入非互易光学装置及程长调制装置，在激光陀螺内的顺时针和逆时针行波内建立偏频，然后对外腔长度进行交流调制和控制，实现偏频的交变抖动，将激光陀螺输出光再次反射到谐振腔内，且使顺时针光束仍进入顺时针环路，逆时针光束仍进入逆时针环路，引起激光陀螺内部激光性质尤其是振荡频率的改变。

其中，通过在谐振腔外部的光路中增加非互易光学元件（如法拉第旋光器），使顺时针光束和逆时针光束产生非互易性，可在激光陀螺顺时针和逆时针激光之间建立频率偏置。选择合适的非互易元件，使频率偏置满足要求，然后对外腔光程进行调制和控制，可改变非互易偏频的大小。采用交流（或叫交变、抖动）调制的方式，可产生与机械抖动激光陀螺中抖动偏频相同的效果。

该技术方案的实现主要基于以下原理：

将顺时针光束回馈到顺时针光束、逆时针光束回馈到逆时针光束的条件下，激光陀螺的顺时针和逆时针光波间将会产生频率差[参考：Aronowitz F．Theory and Operation of a Traveling-Wave Laser. New York University, 1969.]：

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{L}(s_1\sin {\mathrm{\δ}}_1-s_2\sin {\mathrm{\δ}}_2)---\left(1\right)$

这里c为光速，L为激光陀螺腔长，s₁为顺时针光波的回馈系数，δ₁和δ₂分别为顺时针和逆时针光波从激光陀螺输出镜出射后在外腔走的光程，s₂为逆时针光波的回馈系数。对于一般的光路，根据光路可逆原理，δ₁≈δ₂，而且s₁≈s₂，所以频差为0或接近0.

通过在外部回馈光路（不妨将整个回馈光路部分称为外腔）中增加非互易光学器件，使顺时针光波增加一段光程，逆时针光波减少一段光程，即δ₁≠δ₂，这时Δf不为0，相当于在顺时针和逆时针光波之间建立了频率偏置（简称偏频）。

使顺时针光波和逆时针光波的相位差为180度，可得到较好的偏频效果。这时（1）式可简化为：

$\mathrm{\Δf}=2\frac{c}{L}{s}_1\cos \mathrm{\δ}---\left(2\right)$

式中δ即为δ₁。对外腔光路产生的相位进行调制，有δ=δ₀+δ_msin(2πf_mt)，其中δ₀为初始相位，δ_m为调制幅度，f_m为调制频率，t为时间。

由于外腔相位调制，激光陀螺的顺时针和逆时针光波的拍频可表示为：

$\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{K\Ω}+K{\mathrm{\Ω}}_L\sin \mathrm{\ψ}+2\frac{c}{L}{s}_1\cos [{\mathrm{\δ}}_0+{\mathrm{\δ}}_m\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)]---\left(3\right)$

这里K为激光陀螺的比例因子，Ω为输入角速度，ψ为顺时针和逆时针光波的相位，Ω_L为闭锁阈值。（3）式与一个典型的抖动激光陀螺输出信号非常相似。

下面做1个估计。不妨设L=0.3m, s₁=10^-4, f_m=400Hz，它所建立的抖动偏频峰峰值为200kHz，与现有机械抖动激光陀螺的偏频量相当。

在外腔中置入偏振光学元件使顺时针光束和逆时针光束通过后产生不同的衰减也可在顺时针激光和逆时针激光之间建立偏频，与上述的相移器件起到类似的效果。

本发明采用外腔回馈产生与机械抖动激光陀螺的机械抖动相同的功能，但优点是不需要庞大的机械抖动部件，在实际应用中可减少***复杂性，基本消除机械噪音，提高测量带宽。

附图说明

图1是外腔回馈激光陀螺偏频的一种实现方式，

图2是一种典型的非互易光学器件原理图，

图3是一种典型的增强型外腔回馈结构，

图4是一种典型的集成式非互易光学装置。

具体实施方式

下面结合附图对具体实施方式进行说明。

图1是基于外腔回馈的激光陀螺偏频示意图，它包括激光陀螺1和由第五反射镜6、第六反射镜7、程长调制装置12、非互易光学装置8、反射镜Ⅱ3及反射镜Ⅳ5组成的回馈外腔，其中激光陀螺1由反射镜Ⅰ2、反射镜Ⅱ3、反射镜Ⅲ4、反射镜Ⅳ5组成。从反射镜Ⅱ3透射的激光被外腔中第五反射镜6和第六反射镜7改变方向，重新从反射镜Ⅳ5进入到激光陀螺谐振腔，同理，从反射镜Ⅳ5透射的激光从反射镜Ⅱ3重新进入激光陀螺谐振腔。由于外腔回馈的作用，激光陀螺谐振腔内顺时针和逆时针光波之间增加了一项频率差。通常s₁≈s₂。利用三角函数的公式可以得到：

$\mathrm{\Δf}=\frac{c}{L}(s_1\sin {\mathrm{\δ}}_1-s_2\sin {\mathrm{\δ}}_2)=2s_1\frac{c}{L}\cos \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2}{2}\right)\sin \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2}{2}\right)$

采用合适的非互易光学器件使顺时针和逆时针的外腔光程产生相位差，即δ₁-δ₂≠0。为达到较好的偏频效果，最好δ₁-δ₂=π。，δ其实就是光在外腔中除了非互易相位之外的光程。用外腔程长调制器件12对外腔光程进行调制，得到激光陀螺顺时针和逆时针光波的拍频为 $\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}=\mathrm{K\Ω}+K{\mathrm{\Ω}}_L\sin \mathrm{\ψ}+2\frac{c}{L}{s}_1\cos [{\mathrm{\δ}}_0+{\mathrm{\δ}}_m\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)]$ ，实现抖动偏频的效果。

为了使偏频精确地在激光陀螺的输出信号中扣掉，的平均值应为0，这就需要对外腔光程长度进行控制，使δ₁=kL_EX为2mπ+π/2（m为整数），这里k为光波数，L_EX为顺时针光波在激光陀螺反射镜Ⅱ3出射后再从反射镜Ⅳ5进入以及逆时针在反射镜Ⅳ5出射后再从反射镜Ⅱ3进入过程中在外腔中的平均光程。

外腔中的光学元件可能会对激光产生吸收、散射等作用，使光束产生一定的损耗，因此第五反射镜6和第六反射镜7尽量采用高反射率反射镜。

非互易光学装置8可采用图2所示的***。其中波片Ⅰ9和波片Ⅱ10是1/4波片，法拉第旋光器11放置在波片Ⅰ9和波片Ⅱ10之间。激光陀螺输出光近似为线偏振光，经过放置适当的波片Ⅰ9后转换为圆偏振光，根据物理光学，波片的快轴与偏振方向成±45°时可将线偏振光转换为圆偏振光。圆偏振光经过法拉第旋光器后增加或减少一段光程，经过波片Ⅱ10时再转换为线偏振光，波片Ⅱ10的快轴与波片Ⅰ9的快轴成90度。由于法拉第旋光器对不同方向的左旋或右旋圆偏振光产生大小相同，方向相反的相移，所以采用旋光90度的法拉第旋光器可使顺时针和逆时针光波经历的光程为半个波长，相位差为180度。

外腔调制器件12可以通过在第五反射镜6或第六反射镜7上粘一个压电陶瓷驱动器来实现，压电陶瓷驱动器使第五反射镜6或第六反射镜7沿法向前后调制，可使外腔光程产生调制。调制幅度只要有0.1个波长即可，但最好稍大一点，推荐采用1个波长。

外腔调制器件12也可采用电光调制器件来实现，电光调制器通过改变晶体的折射率，从而改变等效的光程长度。

图3所示是另一种实现方式。与图1所示的实现方式相比，该方式能够更有效地利用光的能量，反射镜Ⅳ5、反射镜Ⅴ20、反射镜Ⅵ21、反射镜Ⅶ22、非互易光学装置Ⅰ23及程长调制装置Ⅰ24组成一个回馈外腔，激光陀螺1由反射镜Ⅰ2、反射镜Ⅱ3、反射镜Ⅲ4、反射镜Ⅳ5组成。由于光能的绝大部分在外腔中循环，因而能够得到有效的利用，从而可以用1个旋光角较小或非互易相位延迟较小的法拉第旋光器实现较大的偏频量。根据外腔损耗的不同，增强效果会出现较大的差异，如果光在外腔中的单程损耗在0.01的量级，增强效果可以达到100倍左右，从而能够以较小的法拉第旋光器实现较大的频率偏置，因此偏频量的大小不是问题。

图4所示为一种集成式非互易光学装置。31为法拉第旋光器Ⅰ，27为增透膜，可以减少光能在表面的反射或散射损耗。在法拉第旋光器Ⅰ31两端面设置波片Ⅲ28和波片IV29，在波片Ⅲ28和波片IV29外的侧面上镀上增透膜27。波片Ⅲ28和波片IV29为通过镀膜制作的1/4波片，它们的快轴方向互相正交。其工作原理为，设一束线偏振光从图4中的左侧入射到非互易光学装置上，增透膜使得光波基本没有衰减，1/4波片III28的快轴与线偏振光的偏振方向成45度，线偏振光通过后就成为圆偏振光，再经过法拉第旋光器产生相位移动Φ，再经过波片IV29后圆偏振光又转变为与入射光偏振方向相同的线偏振光，通过另一端面的增透膜出射。这种结构的非互易光学装置基本不会造成光的衰减，只是改变光的相位，而且从两端入射的光的相移符号相反。采用图4这种结构可以提高非互易光学装置的稳定性，更容易调节，对相位的控制精度也更高。

外腔回馈偏频激光陀螺的输出拍频可采用低通滤波的方式将抖动的影响扣除，这在机械抖动激光陀螺读出***中非常成熟，具体方法对相关领域专业人员都是已知的。由于外腔调制的频率可以非常高，因此这种激光陀螺比机械抖动激光陀螺具有更快的响应速度。

Claims (6)

1.基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，该方法具体为：

包括由至少3面反射镜组成的激光陀螺和由两面反射镜组成的回馈外腔，通过回馈外腔的作用，改变激光方向使从激光陀螺谐振腔出射的激光重新反射到谐振腔内部，在外腔光路中置入非互易光学装置及程长调制装置，在激光陀螺内的顺时针和逆时针行波内建立偏频，然后对外腔长度进行交流调制和控制，实现偏频的交变抖动，将激光陀螺输出光再次反射到谐振腔内，且使顺时针光束仍进入顺时针环路，逆时针光束仍进入逆时针环路，引起激光陀螺内部激光性质振荡频率的改变；

其中，非互易光学元件为法拉第旋光器；

基于外腔回馈的激光陀螺偏频一种实现方式为：包括激光陀螺（1）和由第五反射镜（6）、第六反射镜（7）、程长调制装置（12）、非互易光学装置（8）组成的回馈外腔，其中激光陀螺（1）由反射镜Ⅰ(2)、反射镜Ⅱ(3)、反射镜Ⅲ(4)、反射镜Ⅳ(5)组成；从反射镜Ⅱ(3)透射的激光被回馈外腔中第五反射镜（6）和第六反射镜（7）改变方向，重新从反射镜Ⅳ（5）进入到激光陀螺谐振腔，同理，从反射镜Ⅳ（5）透射的激光从反射镜Ⅱ（3）重新进入激光陀螺谐振腔；由于外腔回馈的作用，激光陀螺谐振腔内顺时针和逆时针光波之间增加了一项频率差                                                ，，利用三角函数的公式可以得到：

为光速，为激光陀螺腔长，为顺时针光波的回馈系数，和分别为顺时针和逆时针光波从激光陀螺输出镜出射后在外腔走的光程，为逆时针光波的回馈系数；

采用非互易光学器件使顺时针和逆时针的外腔光程产生相位差，即， ，其实就是光在外腔中除了非互易相位之外的光程，用程长调制装置（12）对外腔光程进行调制，得到激光陀螺顺时针和逆时针光波的拍频为，实现抖动偏频的效果；

其中为初始相位，为调制幅度，为调制频率，为激光陀螺的比例因子，为输入角速度，为顺时针和逆时针光波的相位，为闭锁阈值；

为了使偏频精确地在激光陀螺的输出信号中扣掉，的平均值应为0，要对外腔光程长度进行控制，使为（m为整数），这里为光波数，为顺时针光波在激光陀螺反射镜Ⅱ（3）出射后再从反射镜Ⅳ（5）进入以及逆时针在反射镜Ⅳ（5）出射后再从反射镜Ⅱ（3）进入过程中在外腔中的平均光程。

2.根据权利要求1所述的基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，第五反射镜（6）和第六反射镜（7）采用高反射率反射镜。

3.根据权利要求1所述的基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，非互易光学装置（8）结构为，法拉第旋光器（11）放置在波片Ⅰ（9）和波片Ⅱ（10）之间。

4.根据权利要求1所述的基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，程长调制装置（12）通过在第五反射镜（6）或第六反射镜（7）上粘一个压电陶瓷驱动器来实现，或采用电光调制器件来实现。

5.根据权利要求1所述的基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，基于外腔回馈的激光陀螺偏频另一种实现方式为：反射镜Ⅳ（5）、反射镜Ⅴ(20)、反射镜Ⅵ(21)、反射镜Ⅶ(22)、非互易光学装置Ⅰ(23)及程长调制装置Ⅰ(24)组成一个回馈外腔，激光陀螺(1)由反射镜Ⅰ(2)、反射镜Ⅱ(3)、反射镜Ⅲ(4)、反射镜Ⅳ(5)组成。

6.根据权利要求1所述的基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法，其特征在于，非互易光学装置的结构为在法拉第旋光器Ⅰ（31）两端面设置波片Ⅲ（28）和波片IV（29），在波片Ⅲ（28）对外的侧面上镀上增透膜（27），波片Ⅲ（28）和波片IV（29）为通过镀膜制作的1/4波片，它们的快轴方向互相正交。