專利名稱：半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀及其電光調(diào)制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體泵浦固體激光技術和傳感器技術領域，特別涉及一種半導體泵浦固體激光陀螺儀的結(jié)構設計。
從原理上分，光學陀螺可以分為兩大類諧振型和干涉型。前者的代表是以He-Ne氣體環(huán)形激光器為核心的激光陀螺，它亦是目前廣泛應用的導航級光學陀螺。后者的代表是由多圈光纖構成的光纖干涉儀為核心的光纖陀螺(章燕申等.激光陀螺技術報告與論文集，清華大學精儀系，1999年10月)。氣體激光陀螺儀盡管是目前光學陀螺中精度最高的，但有著其固有的缺點①氣體激光陀螺的增益介質(zhì)為He-Ne混合氣體，為保證其氣體組分、濃度的恒定，需經(jīng)常換、充氣體，所以對腔的密封性要求很高；②增益為混和氣體，為保證振蕩條件，必須保證氣體增益有一定的極限光程，即腔難于小型化，同時氣體放電需要高壓；③He-Ne氣體激光陀螺的工作激光波長較短(633nm)，因此對構成其環(huán)形諧振腔反射鏡的鍍膜工藝要求很高，從而使其成本大大增加；④為消除固有的閉鎖，氣體激光陀螺引入了產(chǎn)生機械抖動的附加部件，不僅增加了陀螺系統(tǒng)的復雜性，同時還給系統(tǒng)帶來了額外的噪聲；⑤總效率很低，小于＜0.01％。由于存在著諸多問題，因而氣體激光陀螺儀的精度難以進一步提高。
光學陀螺儀由于傳感信號為激光，不可避免地存在著閉鎖現(xiàn)象，即當被測對象的轉(zhuǎn)速低于一定閾值，陀螺儀的輸出為非線性或者無輸出。傳統(tǒng)上減少閉鎖的途徑有3種一是給整個陀螺儀加上一固定的轉(zhuǎn)速(Raytheon Co.，USA)；二是給環(huán)形腔加上周期振動的抖動進行偏頻(Honeywell Co.，USA)；三是利用磁光效應。
隨著固體激光技術的發(fā)展，半導體泵浦固體激光器(DPSSL)顯示出比燈泵固體激光器(LDSSL)的顯著優(yōu)越性，DPSSL總效率比LDSSL高，結(jié)構簡單，激光輸出穩(wěn)定。特別是單塊集成(monolithic)固體激光技術的進步，窄線寬、高功率激光輸出，穩(wěn)頻技術等發(fā)展推動了固體激光陀螺技術的研究。與目前其他光學陀螺相比，半導體泵浦固體激光陀螺具有以下優(yōu)點①為全固態(tài)方案，保證了產(chǎn)品宜長期貯存，宜小型化，生產(chǎn)成本低，溫度效應弱；②固體增益介質(zhì)是應用技術成熟的稀土金屬晶體材料，其激射波長長(1.064mm)，使得對反射鏡的鍍膜工藝的要求有所降低，這樣可以大大降低陀螺的生產(chǎn)成本；③和目前的He-Ne氣體激光陀螺儀一樣，半導體激光器泵浦的固體激光陀螺也屬有源諧振腔激光陀螺，因此傳統(tǒng)的氣體激光陀螺所具有的優(yōu)點也都體現(xiàn)在這類陀螺系統(tǒng)中，從而它將是一種高精度的激光陀螺儀；④在半導體激光器泵浦固體激光陀螺儀系統(tǒng)中，信號采集與處理是利用兩路光在輸出端合光后產(chǎn)生拍頻，它與系統(tǒng)角速度保持線性關系，因此可以大大降低系統(tǒng)信號檢測技術的難度。因此，半導體泵浦固體激光陀螺儀引起了人們的注意。1999年Halldorsson等(United States Patent，No.5,960,022)中提出的3自由度半導體泵浦固體激光陀螺儀，使用多個半導體激光器作為泵浦光源，環(huán)形腔為單塊玻璃的矩形腔，增益介質(zhì)使用3價稀土金屬的晶體(摻Nd3+)，激光工作在連續(xù)波模式，采用聲光移頻技術減少測量鎖區(qū)，其優(yōu)點是使用固體增益取代了氣體增益，采用光學的方法取代機械的方法減少鎖區(qū)。其缺點是使用聲光移頻技術產(chǎn)生多普勒效應減少閉鎖，結(jié)構復雜。文獻“Diels，Jean-Claude et al.Progress toward a compact solid stateactive laser gyroscope Proc.SPIE Vol.3616，p.136-142.”中提出了一種半導體泵浦脈沖鎖模固體激光陀螺儀，如圖4所示，將超短脈沖激光技術應用于激光陀螺技術，采用半導體激光器端面泵浦方式，使用反射鏡構成8字型環(huán)形腔，以及多量子阱飽和吸收體(MQW)作為鎖模器件。由于激光工作在脈沖模式，經(jīng)過合理的諧振腔設計，腔中反向傳播的兩路光脈沖不會在構成諧振腔的光學元件上相遇，因而本征地消除了鎖區(qū)，而不是使用氣體激光陀螺儀機械的方法、磁光效應或者聲光效應。但由于脈沖光不可避免地在MQW上產(chǎn)生背向散射而發(fā)生能量耦合，該激光陀螺儀使用方波調(diào)制信號進行電光調(diào)制獲得偏頻效果，減少閉鎖。缺點是由于采用半導體端面泵浦方式，因而環(huán)形腔很難進一步小型化，并且由于端面泵浦不可避免采用8字型腔，存在負面積，陀螺儀的標定因子將減小，同時端泵方式會引起晶體增益的熱應力不均，導致陀螺儀壽命降低，而且需要更多的光學元件，結(jié)構復雜。
本發(fā)明的目的是通過如下技術方案實現(xiàn)的一種半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，主要由環(huán)形腔反射鏡組，增益介質(zhì)，泵浦裝置，電光晶體及其電光調(diào)制電路，分束板，光學延時器以及讀出電路組成，其特征是所述的泵浦裝置采用側(cè)面泵浦，所述的側(cè)面泵浦由聚焦耦合透鏡，半導體激光器陣列以及半導體激光器溫控裝置組成。
本發(fā)明的特征還在于所述的環(huán)形腔采用由兩個曲面鏡和一個平面鏡組成的等腰三角形腔，兩塊同等參數(shù)的電光晶體對稱地放置于等腰三角形的腰上。
所述的半導體激光器溫控裝置由半導體制冷片、散熱片、熱敏電阻、溫控電路組成。
所述平面鏡和曲面鏡采用鍍對波長1064nm反射率不低于99.9％的高反膜的平面鏡和曲面鏡。
所述的電光晶體采用端面鍍對波長1064nm反射率不高于0.2％高透膜的鈮酸鋰電光晶體。
增益介質(zhì)為摻釹0.5％的釩酸釔(NdYVO4)，幾何形狀為板條，輸入輸出端面鍍對1064nm波長反射率不高于0.1％高透膜，遠離柱透鏡的一面鍍對波長1064nm反射率不低于98％的高反膜，緊挨柱透鏡的一面鍍對波長808nm反射率不高于1％和對波長1064nm反射率不低于98％的雙色膜。
所述的聚焦耦合透鏡采用鍍對波長808nm反射率為不高于1％的高透膜的柱透鏡。
本發(fā)明還提供了一種所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀的電光調(diào)制方法，該方法利用信號發(fā)生器、驅(qū)動鈮酸鋰晶體(LiNbO3)的功率放大器組成的電光調(diào)制電路調(diào)制電光晶體，產(chǎn)生偏頻作用，減少鎖區(qū)，其特征是使用相位差180度的正弦波調(diào)制信號分別調(diào)制對稱放置的兩塊同等參數(shù)的電光晶體。
本發(fā)明的優(yōu)點是由于采用半導體激光器陣列側(cè)面泵浦裝置，使用半導體激光器陣列和聚焦柱透鏡泵浦晶體增益介質(zhì)，增益介質(zhì)受光面能量比較均勻，能較好地克服熱應力問題，同時環(huán)形腔為三角形腔，沒有負面積，半導體激光器陣列安裝在環(huán)形腔的內(nèi)側(cè)或者安裝于垂直于腔平面的位置，便于實現(xiàn)陀螺儀的小型化；同時結(jié)構和氣體激光陀螺儀相似，充分利用氣體激光陀螺儀的現(xiàn)成工藝；采用電光晶體進行電光調(diào)制，起到機械抖動相似的效果，但抖動頻率卻能遠高于機械抖動；為減少損耗電光晶體端面鍍高透膜；調(diào)制信號使用相位差180度的正弦波調(diào)制信號分別進行調(diào)制，能顯著地減少陀螺儀鎖區(qū)；讀出電路采用細分電路，能極大地提高陀螺儀測量精度。
圖2是本發(fā)明的側(cè)泵裝置示意圖。
圖3是本發(fā)明的電光調(diào)制結(jié)構示意圖。
圖4是Diels提出的半導體泵浦脈沖鎖模固體激光陀螺儀結(jié)構示意圖。
圖2是本發(fā)明的側(cè)泵裝置示意圖。本發(fā)明采用側(cè)面泵浦(side-pumped)方式，由聚焦耦合透鏡3、半導體激光器列陣4以及半導體激光器溫控裝置5組成側(cè)泵裝置半導體制冷片21裝在散熱片18上，使用導熱硅膠將半導體制冷片21貼在半導體激光器列陣4上進行散熱，在半導體激光器列陣4基底內(nèi)部放置熱敏電阻19來測量半導體激光器列陣的溫度；熱敏電阻19反饋溫度至溫控電路20。溫控電路20驅(qū)動半導體制冷片21，從而使得半導體激光器列陣4在恒定溫度下工作，防止了泵浦波長的漂移。
圖3是本發(fā)明的電光調(diào)制結(jié)構示意圖，由電光調(diào)制電路和電光晶體組成。電光晶體沒有外電壓時，折射率為n。在三角形腔的腰上對稱地放置兩塊同等參數(shù)的電光晶體7、13，先在晶體7、13上加上一恒定u0，折射率變成n0；電壓調(diào)制電壓信號使用三角形波或者鋸齒形波u(t)，也加在電光調(diào)制晶體7、13上，其中電光調(diào)制晶體7為u(t)、電光調(diào)制晶體13上為-u(t)，即為相位相反的調(diào)制電壓。當光束15到達電光晶體7時，調(diào)制電壓加在電光晶體7上，由于電光效應，電光晶體的折射率將發(fā)生改變，變成n0+Δn，其中Δn=(-12n0·r13)u(t)-----(1)]]>光束15的光程也將發(fā)生變化l·Δn，光束15一部分經(jīng)過平面鏡8輸出，一部分繼續(xù)行進，經(jīng)過電光晶體13，由于時間極短，此時電光晶體13上的調(diào)制電壓為-u(t).電光晶體的折射率為n0-Δn，光束15光程變化量-l·Δn，回到了初始相位；相似地，光束17也發(fā)生同樣地變化，不同的是光束17經(jīng)過平面鏡8輸出后光程改變量為-l·Δn，光束15光程改變量為l·Δn，相當于環(huán)形腔有一個初始轉(zhuǎn)速Ω0為Ω0(t)=n0·l·r132cu(t)-----(2)]]>其中l(wèi)為晶體厚度；r13為電光系數(shù)；c為真空中的光速。
從而產(chǎn)生電光抖動效應。為減少損耗，電光晶體端面鍍對波長1064nm反射率不高于0.2％高透膜的鈮酸鋰。
圖4為Diels提出的半導體泵浦脈沖鎖模固體激光陀螺儀結(jié)構示意圖，由半導體激光器，準直透鏡，整形棱鏡，曲面鏡，增益晶體，環(huán)形腔平面鏡，透鏡，飽和吸收體，電光調(diào)制晶體。采用8字型腔，使用多量子阱(MQW)作為飽和吸收體，用于產(chǎn)生鎖模脈沖激光。半導體激光器為激射波長為808nm的GaAlAs/GaAs激光器，晶體選用了NdYVO4，電光轉(zhuǎn)換效率大于50％。由于MQW的背向散射造成閉鎖，為了減少閉鎖，采用電光晶體LiNbO3進行調(diào)制，產(chǎn)生偏頻。雙向光從反射鏡輸出，一路光經(jīng)過光路延時，再進行合光。
這種側(cè)泵陀螺儀工作原理如下如

圖1所示，由半導體激光器陣列4發(fā)出的泵浦光λ1＝808nm，經(jīng)過聚焦耦合透鏡(采用鍍對波長808nm反射率為不高于1％的高透膜的柱透鏡)，準直聚焦到晶體增益2[摻釹0.5％的釩酸釔(NdYVO4)]，幾何形狀為板條，輸入輸出端面鍍對1064nm波長反射率不高于0.1％高透膜，遠離柱透鏡的一面鍍對波長1064nm反射率不低于98％的高反膜，緊挨柱透鏡的一面鍍對波長808nm反射率不高于1％和對波長1064nm反射率不低于98％的雙色膜)；晶體增益吸收λ1，發(fā)出系列波長的熒光；反射鏡1、6、12形成的環(huán)形腔構成行波腔，由于模式競爭和諧振腔選模，波長為1.06μm的光波將在腔內(nèi)形成雙向振蕩；經(jīng)輸出反射鏡8輸出；雙向光經(jīng)過分束板9，光學延時器11，在讀出電路10上產(chǎn)生諧振，可以獲得雙向光波的拍頻信號，沿著方向16移動光學延時器11，可以調(diào)節(jié)雙向光波的相位差；電光調(diào)制晶體7、13用于產(chǎn)生電光抖動，減少陀螺儀的閉鎖效應。
實施例該系統(tǒng)的結(jié)構示意圖如圖1所示。詳細說明步驟如下所用半導體激光器陣列4為GaAlAs/GaAs雙異質(zhì)結(jié)激光器陣列6W，峰值波長為810±5nm，固定在半導體制冷器上，并用溫控系統(tǒng)控溫。增益介質(zhì)2采用吸收波長與半導體激光器峰值波長相匹配的晶體，我們選用很成熟的NdYVO4，沒有選用NdYAG。NdYVO4晶體的摻雜濃度≈0.5％，幾何形狀為板條，尺寸10×5×5mm，輸入輸出端面(即2個5×5mm的面)鍍對1064nm波長反射率不高于0.1％高透膜，遠離柱透鏡的一面鍍對波長1064nm反射率不低于98％的高反膜，緊挨柱透鏡的一面鍍對波長808nm反射率不高于1％和對波長1064nm反射率不低于98％的雙色膜，晶體用銦箔包裹(以達到良好的熱接觸)置入銅塊內(nèi)，此銅塊用半導體制冷器冷卻并可控溫。柱面鏡為焦距500um，長度13mm。環(huán)形腔為由兩個曲面鏡和一個平面鏡組成的等腰三角形腔，腰長為150mm，底邊為200mm，反射鏡1、6為直徑20mm、曲率半徑200mm、鍍有R＞99.9％@1064nm(入射角24°)膜系的曲面鏡，平面鏡8為直徑20mm、鍍有R＞99.9％@1064nm(入射角42°)膜系，形成環(huán)形腔。光學延時器11鍍對波長1.06μm高反的膜系，用于光學延時以及合光。分束板9鍍λ＝1.06μm，T＝50％，也用于合光。讀出電路10用于讀出信號。電光調(diào)制所用電光晶體為兩塊同等參數(shù)的電光晶體，采用端面鍍對波長1064nm反射率不高于0.2％高透膜的鈮酸鋰電光晶體，幾何尺寸3×3×5mm(與行波運行方向重合的y光軸上長度5mm)，對稱地放置于等腰三角形的腰上。此系統(tǒng)可以測量物體相對于慣性空間的轉(zhuǎn)速，并可以顯著地減少鎖區(qū)。
權利要求
1.一種半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，主要由環(huán)形腔反射鏡組，增益介質(zhì)，泵浦裝置，電光晶體及其電光調(diào)制電路，分束板，光學延時器以及讀出電路組成，其特征是所述的泵浦裝置采用側(cè)面泵浦，所述的側(cè)面泵浦由聚焦耦合透鏡，半導體激光器陣列以及半導體激光器溫控裝置組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征在于所述的環(huán)形腔為由兩個曲面鏡和一個平面鏡組成的等腰三角形腔，兩塊同等參數(shù)的電光晶體對稱地放置于等腰三角形的腰上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征在于所述的半導體激光器溫控裝置由半導體制冷片、散熱片、熱敏電阻、溫控電路組成。
4.根據(jù)權利要求3所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征在于所述平面鏡和曲面鏡采用鍍對波長1064nm反射率不低于99.9％的高反膜的平面鏡和曲面鏡。
5.根據(jù)權利要求3任一權利要求所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征在于所述的電光晶體采用端面鍍對波長1064nm反射率不高于0.2％高透膜的鈮酸鋰電光晶體。
6.根據(jù)權利3的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征是增益介質(zhì)為摻釹0.5％的釩酸釔(NdYVO4)，幾何形狀為板條，輸入輸出端面鍍對1064nm波長反射率不高于0.1的高透膜，遠離柱透鏡的一面鍍對波長1064nm反射率不低于98％的高反膜，緊挨柱透鏡的一面鍍對波長808nm反射率不高于1％和對波長1064nm反射率不低于98％的雙色膜。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀，其特征在于所述的聚焦耦合透鏡采用鍍對波長808nm反射率為不高于1％的高透膜的柱透鏡。
8.一種采用如權利要求1所述的半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀的電光調(diào)制方法，由信號發(fā)生器、驅(qū)動鈮酸鋰晶體(LiNbO3)的功率放大器組成的電光調(diào)制電路調(diào)制電光晶體，產(chǎn)生偏頻作用，減少鎖區(qū)，其特征是使用相位差180度的正弦波調(diào)制信號分別調(diào)制對稱放置的兩塊同等參數(shù)的電光晶體。
全文摘要
半導體側(cè)面泵浦固體激光陀螺儀及其電光調(diào)制方法,涉及一種半導體泵浦固體激光陀螺儀的結(jié)構設計。它主要由環(huán)形腔反射鏡組,增益介質(zhì),泵浦裝置,電光晶體,分束板,光學延時器以及讀出電路組成,其特點是泵浦裝置采用側(cè)面泵浦,所述的側(cè)面泵浦由聚焦耦合透鏡,半導體激光器陣列以及半導體激光器溫控裝置組成。本發(fā)明能較好地克服熱應力問題,同時環(huán)形腔為三角形腔,沒有負面積,其結(jié)構和氣體激光陀螺儀相似,可充分利用其現(xiàn)成工藝。電光抖動采用兩塊同等參數(shù)的電光晶體,使用相位差180°的正弦波信號分別進行調(diào)制,能顯著地減少陀螺儀鎖區(qū)。具有體積小、工作穩(wěn)定和長壽命等優(yōu)點,能廣泛地應用在慣性導航,慣性制導和慣性測量等慣性技術中。
文檔編號G01C19/62GK1374504SQ0211667
公開日2002年10月16日 申請日期2002年4月15日 優(yōu)先權日2002年4月15日
發(fā)明者田芊, 章恩耀, 孫利群, 萬順平, 毛獻輝 申請人:清華大學