專利名稱：一種激光陀螺調(diào)腔方法及其使用的光路程長控制鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有源腔激光陀螺的高精度調(diào)腔，特別是高集成度的共用六個反射鏡的三軸激光陀螺的高精度調(diào)腔。
背景技術(shù)：
激光陀螺的調(diào)腔就是調(diào)整構(gòu)成環(huán)形回路的數(shù)個(三個或三個以上)反射鏡的反射方向，使其成為一個閉環(huán)的諧振腔，并使該諧振腔具有最大的增益和最小的損耗。傳統(tǒng)的調(diào)腔方法是采用參考光輔助調(diào)腔，它通常是利用球面反射鏡鏡片上不同點的反射方向不一樣來控制光路，使參考光在陀螺腔體內(nèi)形成諧振來實現(xiàn)調(diào)腔的目的。但這種傳統(tǒng)調(diào)腔方法的基準(zhǔn)是從外部引入?yún)⒖脊膺M(jìn)行調(diào)腔，調(diào)腔時腔體所處的狀態(tài)與充有工作氣體的激光陀螺在增益介質(zhì)處于激勵狀態(tài)下的實際工作狀態(tài)存在明顯差異，這就不可避免的存在諸多缺點1.調(diào)腔時向陀螺腔體輸入的一路參考光與腔體的光路孔可能不完全同軸，產(chǎn)生偏差。2.調(diào)腔過程是在大氣環(huán)境下進(jìn)行的，而有源腔激光陀螺處于實際工作狀態(tài)時，腔內(nèi)為低氣壓，因此實際工作狀態(tài)時鏡片內(nèi)外的壓差與調(diào)腔時的內(nèi)外壓差差別較大(二者約相差1atm)，這會引起反射鏡片(主要是具有薄底結(jié)構(gòu)的腔長控制鏡)的微小變形，使環(huán)路中鏡片上的各反射點與調(diào)腔時的各反射點不一致。3.調(diào)腔過程是針對一個未充工作氣體的無源腔進(jìn)行的，不可能涉及到實際工作狀態(tài)時增益區(qū)段的增益特性，因此二者的閉環(huán)諧振腔實際存在差異。4.在三軸激光陀螺中(如圖1所示)，由于三個陀螺共用六個反射鏡片，每個反射鏡要負(fù)責(zé)兩個相互正交的激光陀螺，當(dāng)改變其位置對其中一個需要改變的激光陀螺的光路進(jìn)行調(diào)整時，勢必要影響到另一個不需要改變的激光陀螺的光路。三個陀螺相互交織在一起，很難通過有限的人工調(diào)整達(dá)到最佳的反射鏡片位置，不能使三個激光陀螺的光路同時處于相對最理想的閉合環(huán)路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決上述傳統(tǒng)調(diào)腔方法存在的問題，提出一種在激光陀螺的實際工作條件下，即增益介質(zhì)處于激勵狀態(tài)下仍能調(diào)腔(或稱在線調(diào)腔)，并可對陀螺腔內(nèi)所有閉環(huán)回路進(jìn)行全面掃描，以確定最佳光路、形成一個最佳閉環(huán)諧振腔的調(diào)腔方法，特別是解決上述傳統(tǒng)調(diào)腔方法難以解決的空間正交三軸激光陀螺調(diào)腔的技術(shù)難題。
為實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是調(diào)腔時將光路程長控制鏡的角度控制元件的以其中心對稱的由兩兩相對的兩個控制單元組成的兩組控制單元分別與激光陀螺的光路環(huán)形腔平行和垂直，在激光陀螺增益介質(zhì)處于激勵的狀態(tài)下對光路程長控制鏡的角度控制元件的各個控制單元加載掃描電壓，且加載在角度控制元件同一組兩個控制單元上的掃描電壓為同頻率反相電壓，使光路程長控制鏡的球面反射鏡在一個二維空間內(nèi)對閉環(huán)光路進(jìn)行全面掃描，用光電探測器檢測激光陀螺的輸出光強，輸出光強最大時加載的掃描電壓就是達(dá)到最佳閉環(huán)諧振光路的調(diào)腔電壓。
本發(fā)明方法在調(diào)腔掃描時加載的掃描電壓最好為鋸齒波電壓。
本發(fā)明方法在調(diào)腔掃描時加載在以角度控制元件中心對稱的兩兩相對的2個控制單元分別組成的兩組控制單元上的掃描電壓頻率相互差10倍。
為實現(xiàn)本發(fā)明的調(diào)腔方法專門設(shè)計了一種全新的光路程長控制鏡代替已有技術(shù)常用的激光陀螺控制鏡，這種新的光路程長控制鏡由槽片、角度控制元件、程長控制元件和匹配環(huán)組成，槽片具有一個在外力作用下易產(chǎn)生相對于槽片外環(huán)的平移或偏轉(zhuǎn)的中心柱，球面反射鏡設(shè)置在該中心柱上，由上下表面皆鍍有導(dǎo)電銀膜、均勻分布且相互獨立的4個象限構(gòu)成的壓電陶瓷角度控制元件設(shè)置于槽片中心柱的底部，可使槽片中心柱沿其軸向產(chǎn)生位移的層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷程長控制元件設(shè)置于角度控制元件底部，材質(zhì)和厚度與角度控制元件相同，且其上表面開有與角度控制元件的4個象限相對應(yīng)的4條徑向細(xì)淺槽的匹配環(huán)設(shè)置于槽片與程長控制元件之間。
本發(fā)明的優(yōu)點是在激光陀螺增益介質(zhì)處于激勵的狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)腔，符合激光陀螺的實際工作狀態(tài)，完全克服了已有技術(shù)用參考光在大氣環(huán)境下進(jìn)行調(diào)腔帶來的各種缺陷，特別是對三軸激光陀螺能實現(xiàn)高精度調(diào)腔，解決了已有技術(shù)難于解決的調(diào)腔技術(shù)難題。本發(fā)明設(shè)計的光路程長控制鏡具有由4個獨立象限構(gòu)成的壓電陶瓷角度控制元件，在4個象限分別加載掃描電壓控制光路程長控制鏡的反射方向來進(jìn)行調(diào)腔，且加載在以角度控制元件中心對稱的兩兩相對的2個象限分別組成的兩組控制單元上的掃描電壓分別為同頻率反相電壓，而兩組控制單元上的掃描電壓頻率相互差10倍，使光路程長控制鏡的球面反射鏡在一個二維空間內(nèi)對閉環(huán)光路進(jìn)行掃描，實現(xiàn)了對激光陀螺諧振回路的全面掃描調(diào)腔，調(diào)腔時間短，精度高，工作可靠。


圖1是本發(fā)明用于三軸激光陀螺調(diào)腔的光路示意圖；圖2是本發(fā)明的光路程長控制鏡上的角度控制元件立體示意圖；圖3是本發(fā)明的光路程長控制鏡結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明在光路程長控制鏡的角度控制元件上加載掃描電壓時反射鏡方向發(fā)生變化的示意圖；圖5是本發(fā)明用于三軸激光陀螺的掃描調(diào)腔控制框圖；圖6是本發(fā)明加載在同一組角度控制元件上的一對鋸齒波電壓信號V-t圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖并以正交三軸激光陀螺的掃描調(diào)腔實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的光路程長控制鏡結(jié)構(gòu)及用其調(diào)腔的方法。
如圖1所示，三個相互正交的環(huán)形光路共用六個反射鏡，其中反射鏡A、C、D是輸出鏡，反射鏡B、E、F是本發(fā)明設(shè)計的光路程長控制鏡(或稱程長角度控制鏡)，每個鏡片同時供兩個環(huán)路使用。本發(fā)明設(shè)計的光路程長控制鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示，槽片1是用熔石英或微晶玻璃材料制作，其球面反射鏡面在中心柱上，且中心柱在外力作用下較容易產(chǎn)生相對于槽片外環(huán)的平移或偏轉(zhuǎn)。設(shè)置于槽片1中心柱底部的角度控制元件(或稱光路控制元件)2是在一塊壓電陶瓷上加工成的相互獨立的4象限結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，其上下表面鍍有導(dǎo)電銀膜，通過在不同象限上加載不同的調(diào)腔電壓，可以分別控制每個象限的厚度，從而使槽片中心柱產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)(如圖4所示)。同時以角度控制元件中心為對稱中心，將4個象限中兩兩相對的2個象限作為一組控制單元，兩組控制單元分別用于控制槽片中心柱在兩個相互垂直方向的角度偏轉(zhuǎn)，使光路程長控制鏡的球面反射鏡在一個二維空間內(nèi)對閉環(huán)光路進(jìn)行全面掃描。在實施本發(fā)明方法時，在角度控制元件同一組控制單元的2個象限加載上頻率相同但相位相反的掃描電壓，位于槽片1中心柱上的反射鏡就會在其原法線方向兩側(cè)±θ角范圍內(nèi)進(jìn)行掃描(如圖4所示)。設(shè)置于角度控制元件底部的程長控制元件3為層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，通過對其加載控制電壓，可使槽片中心柱沿其軸向位移，使閉環(huán)光路發(fā)生改變。在槽片1與程長控制元件3之間設(shè)置一個匹配環(huán)6，其材質(zhì)和厚度與角度控制元件2完全相同，其上表面開有與角度控制元件2的4個象限相對應(yīng)的4條徑向細(xì)淺槽，以便對角度控制元件2加載掃描電壓的4條控制線從槽中穿過。
在實施本發(fā)明方法時，將角度控制元件2的兩組控制單元分別與激光陀螺的光路環(huán)形腔平行和垂直(對正交三軸激光陀螺就是分別與兩正交光路環(huán)形腔平行)。在進(jìn)行調(diào)腔掃描時，在水平方向的一組控制單元加頻率為f的鋸齒波掃描電壓，而在垂直方的一組控制單元向則加k倍頻或1/k倍頻的鋸齒波掃描電壓(其中k反映了掃描的細(xì)度)，這樣就能將反射鏡的所有角度都掃描到。假設(shè)激光陀螺腔體貼片面的光學(xué)加工精度優(yōu)于±2″，因此將角度控制元件的掃描范圍確定在±2″。若在兩組控制單元(即在兩個相互垂直方向)上采用相互差10倍頻的掃描電壓，則兩次掃描的角間距為0.4″，而偏離最佳角度的最大可能值是0.2″，這一偏離角度值在曲率半徑為8m的球面反射鏡上的位置差約0.008mm，很容易被球面反射鏡的自調(diào)能力所修正。因此，只需在兩組控制單元上加載相互差10倍頻的掃描電壓，就能對閉環(huán)光線進(jìn)行較為仔細(xì)的搜索。若需要更精密的控制參數(shù)，則可在上述掃描結(jié)束并獲得相應(yīng)的最佳控制參數(shù)后，再改變電壓和頻率參數(shù)，在該組參數(shù)附近進(jìn)行一次小范圍的精細(xì)掃描。
實施本發(fā)明方法尋找最佳閉環(huán)光路時，給激光陀螺增益介質(zhì)加上激勵工作電壓，并根據(jù)圖5所示的掃描控制框圖由鋸齒波發(fā)生器4產(chǎn)生6路逐級10倍頻的掃描電壓，最好為鋸齒波電壓，每路電壓分別由電壓放大器5放大，并由同一組放大器的正、負(fù)端進(jìn)行正向和反向輸出，正向和反向輸出電壓分別加載在角度控制元件2的一組控制單元的2個象限上。在3個光路程長控制鏡的6組控制單元上分別加載6對頻率相同，相位相反的掃描電壓(如圖5所示)，掃描最高頻率不大于1kHz，本實施例將最高一對掃描頻率定為100Hz，其掃描周期為0.01秒，其它5對頻率按10倍的關(guān)系逐次遞減，掃描周期依次遞增為0.1、1、10、100、1000秒。這樣，只需1000秒時間，就可完成對三個正交陀螺所有閉環(huán)光路的全面掃描。調(diào)腔其間，用光電探測器同時檢測三個陀螺的輸出光強，并由計算機將各路掃描電壓和輸出光強自動采集保存并自動記錄。當(dāng)輸出光強最大(對三軸激光陀螺是三個陀螺的輸出光強同時最大或三路光強的乘積最大，而對單軸激光陀螺即指該陀螺輸出光強為最大)時加在所有控制單元上的掃描電壓就是調(diào)腔至最佳閉環(huán)諧振光路所需的控制電壓。最后，在各控制單元上加上這一組控制電壓，就完成了一次高精度的陀螺腔體調(diào)腔。
實施本發(fā)明時，最好配有光路穩(wěn)定系統(tǒng)，并選擇品質(zhì)好的壓電陶瓷材料，以消除在某一電壓下壓電陶瓷的伸縮量及加載電壓過程對調(diào)腔結(jié)果的影響。
本發(fā)明的調(diào)腔方法既可用于空間正交三軸激光陀螺的調(diào)腔，也可用于單軸激光陀螺的調(diào)腔。
權(quán)利要求
1.一種激光陀螺調(diào)腔方法，其特征是將光路程長控制鏡的角度控制元件的以其中心對稱的由兩兩相對的兩個控制單元組成的兩組控制單元分別與激光陀螺的光路環(huán)形腔平行和垂直，在激光陀螺增益介質(zhì)處于激勵的狀態(tài)下對光路程長控制鏡的角度控制元件的各個控制單元加載掃描電壓，且加載在角度控制元件同一組兩個控制單元上的掃描電壓為同頻率反相電壓，使光路程長控制鏡的球面反射鏡在一個二維空間內(nèi)對閉環(huán)光路進(jìn)行全面掃描，用光電探測器檢測激光陀螺的輸出光強，輸出光強最大時加載的掃描電壓就是達(dá)到最佳閉環(huán)諧振光路的調(diào)腔電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)腔方法，其特征在于加載的掃描電壓為鋸齒波電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)腔方法，其特征在于加載在以角度控制元件中心對稱的兩兩相對的兩組控制單元上的掃描電壓頻率相互差10倍。
4.一種用于權(quán)利要求1所述激光陀螺調(diào)腔方法的光路程長控制鏡，其特征在于它是由將球面反射鏡設(shè)置于在外力作用下易產(chǎn)生相對于槽片外環(huán)的平移或偏轉(zhuǎn)的中心柱上的槽片(1)，設(shè)置于槽片(1)中心柱底部的由上下表面皆鍍有導(dǎo)電銀膜、均勻分布且相互獨立的4個象限構(gòu)成的壓電陶瓷角度控制元件(2)，設(shè)置于角度控制元件(2)底部可使槽片中心柱沿其軸向產(chǎn)生位移的層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷程長控制元件(3)和設(shè)置于槽片(1)與程長控制元件(3)之間的材質(zhì)和厚度與角度控制元件(2)相同，且其上表面開有與角度控制元件(2)的4個象限相對應(yīng)的4條徑向細(xì)淺槽的匹配環(huán)(6)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光陀螺調(diào)腔方法及其使用的光路程長控制鏡，本發(fā)明調(diào)腔方法在激光陀螺增益介質(zhì)處于激勵狀態(tài)進(jìn)行，對角度控制元件的兩組共4個控制單元分別加載鋸齒波電壓，在一個二維空間全面掃描閉環(huán)光路，同一組相對2個控制單元為同頻率反相電壓，兩組控制單元電壓頻率相互差10倍，陀螺輸出光強最大的掃描電壓就是達(dá)到最佳閉環(huán)諧振光路的調(diào)腔電壓。光路程長控制鏡由槽片、角度控制元件、匹配環(huán)和程長控制元件組成，槽片上設(shè)置球面反射鏡的中心柱可相對于外環(huán)偏轉(zhuǎn)，角度控制元件為4象限結(jié)構(gòu)，控制中心柱在兩個相互垂直方向偏轉(zhuǎn)，程長控制元件為層狀結(jié)構(gòu)，控制中心柱軸向位移。本發(fā)明調(diào)腔方法符合陀螺實際工作狀態(tài)，可實現(xiàn)三軸或單軸激光陀螺高精度調(diào)腔，調(diào)腔時間短，精度高，工作可靠。
文檔編號G01C25/00GK1603752SQ20041004686
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者金世龍 申請人:金世龍, 龍興武