專利名稱：具有機械啟動增益介質(zhì)的固體激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體環(huán)狀激光器或者激光陀螺儀。
技術(shù)背景本發(fā)明涉及固體環(huán)狀激光器，也被稱為激光陀螺儀。幾乎所有 的激光陀螺儀都使用氣體放大介質(zhì)，該介質(zhì)通常是氦和氖的混合物。 但是，使用具有固體放大介質(zhì)的激光陀螺儀是可能的，其中氣體放大介質(zhì)被例如摻釹YAG (釔鋁石榴石)陣列的固體成分所代替。激光陀螺儀的操作原理基于經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)運動的雙向環(huán)狀激光腔的 薩尼亞克效應(yīng)(Sagnac effect)。薩尼亞克效應(yīng)誘導(dǎo)在腔內(nèi)沿相反方 向傳播的兩個相對傳播的光學(xué)發(fā)射模式之間的頻率差Q 。在通常使 用的固體介質(zhì)中，包括Nd: YAG，沿相反方向傳播的模式分享相同 的放大原子。因此增益被認(rèn)為是相同的。當(dāng)兩個相對傳播模式具有 相同或者非常相似的頻率時，從其產(chǎn)生的干涉信號是駐波，該波也 有可能是行波。當(dāng)它們接近駐波的波腹時，增益介質(zhì)的原子更多地 參加受激發(fā)射過程，當(dāng)它們接近波節(jié)時更少地參加受激發(fā)射過程。 因而，這在增益介質(zhì)中形成由駐波形成的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵。只要兩 個相對傳播模式的頻率足夠接近，該光柵持續(xù)存在。與激發(fā)級的壽 命的倒數(shù)相比頻率差越大，其對比度越低。已經(jīng)顯示，對于陀螺儀 測定而言，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵具有負(fù)作用，主要原因有二 其加劇了相對傳播模式之間的競爭，在大多數(shù)情況下防止了 拍頻狀態(tài)(beat regime),該狀態(tài)為在陀螺測量儀(gyrometer)中建 立的操作狀態(tài)；以及 當(dāng)激光旋轉(zhuǎn)時其誘導(dǎo)了頻率響應(yīng)的非線性，從而降低了慣性性能。這些點的第一個可通過基于例如電反饋裝置的各種技術(shù)被處
理。設(shè)置在腔中的光學(xué)裝置根據(jù)傳播的方向在模式強度上行為不同。這些裝置一般基于非交互光學(xué)效應(yīng)，諸如法拉第效應(yīng)(Faraday effect )。但是，用于處理模間競爭問題的裝置在低旋轉(zhuǎn)速度下運行得不 是很好， 一般不能避免激光陀螺儀的頻率響應(yīng)的非線性問題。該問 題例如可通過在兩個相對傳播模式之間引入強頻率偏差(frequency bias)來解決。然后需要控制使用的偏差的穩(wěn)定性，否則慣性性能受 到限制。還可能通過確保當(dāng)它們與晶體相互作用時偏振態(tài)為正交的， 來消除增益介質(zhì)中的駐波和由該波產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵。后一種 技術(shù)需要控制腔中的雙折射，這意味著當(dāng)需要高慣性性能時其難以 使用。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的裝置的原理是將激活晶體的縱向位置調(diào)制到大約 平均位置，使晶體的原子相對于由兩個相對傳播模式形成的干涉條 紋的波節(jié)和波腹運動，而與這兩個模式之間的頻率差無關(guān)。根據(jù)本 發(fā)明的裝置使其能夠減小增益光柵的對比度，從而減小其在陀螺儀 測定方面的有害影響，而不改變腔的長度。該裝置還使其能夠減小 由放大介質(zhì)誘導(dǎo)的后向散射效應(yīng)。最后，根據(jù)本發(fā)明的裝置有潛力 構(gòu)成能夠處理盲點(blind spot)的裝置，依靠表面(face),有能力 代替或者補充常用機械啟動裝置。更精確地，本發(fā)明的主題是包括至少一個環(huán)狀形式的光學(xué)腔和 固體放大介質(zhì)的激光陀螺儀，該該環(huán)狀形式的光學(xué)腔(2)和固體放 大介質(zhì)(3)被設(shè)計成使兩個相對傳播的光學(xué)模式能夠在所述光學(xué)腔 內(nèi)部相對于彼此沿相反方向傳播并經(jīng)過放大介質(zhì)，其特征在于所述 放大介質(zhì)與在所述放大介質(zhì)上施加沿著基本與所述光學(xué)模式的傳播 方向平行的軸周期性平移運動的電動機械裝置耦合。有利地，運動的振幅遵循作為時間函數(shù)的正弦定律，由周期平 移運動的最大振幅乘以光學(xué)模式的平均波向量得到的乘積與Bessel 函數(shù)Jo的零值中的一個的一半相應(yīng)，并且周期平移運動的頻率與放 大介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的壽命的倒數(shù)數(shù)量級相同或者比其更大。
有利地，選擇運動頻率以便避免參數(shù)諧振頻率，這可能使激光 去穩(wěn)定。特別是，有利地所述頻率可很好地遠(yuǎn)離激光的弛豫頻率(relaxation frequency )或者激光的頻率。 有利地，電動機械裝置是壓電型。有利地，激光陀螺儀包括用于穩(wěn)定相對傳播模式的強度的裝置， 所述裝置可包括設(shè)置在腔中的光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個偏 振元件，顯示單向效應(yīng)(non-reciprocal effect)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器(optical rotator)禾n光學(xué)元件，所述光學(xué)元件可以是顯示可逆效應(yīng)(reciprocal effect)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器或者雙折射元件，至少一個旋轉(zhuǎn)角度或者雙折 射是可調(diào)節(jié)的。本發(fā)明還涉及用于測定相對角位置或者沿著三個軸的角速度的 系統(tǒng)，其特征在于其包括三個具有至少一項前述特征的激光陀螺儀， 這些陀螺儀沿著不同方向定向并被安裝在共用機械結(jié)構(gòu)上。


結(jié)合附圖閱讀作為非限制性例子給出的下列描述，本發(fā)明將會 更好地被理解，并且其他優(yōu)點將是顯而易見的，其中 圖l顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的全視圖； 圖2， 3， 4顯示了相對于放大介質(zhì)和相對于平移運動的方向 的光束的三種不同的幾何布置；以及 圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的典型實施方式。
具體實施方式
圖l顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀l的全視圖。它通常包括 由鏡子7組成的環(huán)狀腔2，其中被稱為相對傳播模式的兩個光學(xué)模式4和5，相對于彼此沿相反方向循環(huán)； 固體放大介質(zhì)3，所述模式穿過該固體放大介質(zhì)； 測定部件9，至少包括用以使兩光學(xué)模式干涉的光學(xué)部件，和用于在獲得的干涉條紋的測定基礎(chǔ)上確定腔的角位移或者角速度的計算部件；以及 可選地，其它光學(xué)系統(tǒng)，例如用于穩(wěn)定相對傳播模式的強度
的裝置8。另外，放大介質(zhì)與電動機械裝置6耦合，該電動機械裝置在所 述放大介質(zhì)上施加由Xc (t)表示的時間依賴性周期平移運動，該 平移運動沿著軸Ox大體上平行于所述光學(xué)模式的傳播方向并與腔 的縱軸對應(yīng)。在這些條件下，具有振動放大介質(zhì)的固體環(huán)狀激光器的動力學(xué) 可使用由半經(jīng)典Maxwell-Bloch理論導(dǎo)出的下列方程來描述<formula>formula see original document page 7</formula>
其中E+和E.是相對傳播模式的復(fù)振幅； YC是腔損耗；Q是由Sagnac效應(yīng)引起的單向效應(yīng)；m+和m-是由運動的放大介質(zhì)沿由+和-兩個傳播方向引起的后向 散射的振幅。出于簡化的目的，由固定鏡引起的后向散射在這些方程 中沒有考慮；ke是激光的波向量；a是激光發(fā)射截面；1是晶體的長度；T是通過腔時間；No是平均粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度N;N+是N的2kc-級傅立葉變換(Fouriertransform); N.是N+的共軛復(fù)數(shù)；W是光學(xué)泵浦功率(optical pumping power);L是激發(fā)級的壽命；以及a是飽和參量。雖然該裝置可以用各種類型的周期平移運動運行，最簡單的執(zhí)行是作為時間t的函數(shù)的正弦振幅的運動，其可以下列形式表達xc(t) = xMsin(o>Mt)其中XM是運動的最大振幅；以及COM是由方程給出的運動角頻率COM=27CfM，其中fM是運動的頻率。顯然，上述方程的系統(tǒng)的第一行中每個模式在經(jīng)過兩種現(xiàn)象的相 對模式中可以被后向散射。第一種現(xiàn)象由放大介質(zhì)上的光的常見散射引起。它對應(yīng)于m+和m-中的條件(terms)。第二種現(xiàn)象是由于粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)光柵的存在。它對應(yīng)于N+和N.中的條件(terms)。在兩種情況下， 由于增益介質(zhì)的運動的附加相因數(shù)出現(xiàn)。它對應(yīng)于exp (2ikeXc)中的 條件(terms)。如果該運動的振幅和頻率是充分的，所得的效果在這兩 種類型的耦合的效率中存在非常巨大的衰減，其通過激光的陀螺測量 儀的性能的增加而證明，特別是根據(jù)頻率響應(yīng)的線性來證明。此外，增益介質(zhì)的運動還作用于效率上，電磁波使用該效率形 成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵。這是因為，在運動不存在的情況下，取決于其 是在駐波的波節(jié)上還是在波腹上，對每個原子而言光密度非常不同。 當(dāng)增益介質(zhì)以足夠的振幅和足夠的頻率經(jīng)歷運動時，每個原子感受 的強度即不是波節(jié)也不是波腹，而是波節(jié)和波腹的連續(xù)的時間平均。 這具有降低由原子接收的光波的不均一性的效果，因而降低了粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)光柵的振幅。在振幅XM的正弦運動和足夠高的頻率的情況 下，當(dāng)符合下列條件時，能夠顯示通過每個原子觀察的平均強度變 得不依賴于位置J0(2kcxM) = 0 方程2其中Jq表示0-級Bessel函數(shù)J。因此，當(dāng)滿足方程2時，也就是說當(dāng)2keXM是函數(shù)J。的0時，根據(jù)本發(fā)明的裝置運行得更好。作為指示，函數(shù)J。的0值數(shù)的首項的近 似值如下給出2.405; 5.520; 8.654; 11.79; 14.93; 18.07; 21.21; 24.35等。當(dāng)然，當(dāng)不符合方程(2)時，keXM值越大，將對本發(fā)明的正確運 行影響越小。實際上，該值可通過執(zhí)行本發(fā)明方面的技術(shù)限制來確定， 例如使用的壓電墊片的運行范圍。由增益介質(zhì)在速度Vc下的運動引起的第三種效應(yīng)，是根據(jù)下列方 程通過與Vc成比例的因子在激光腔中的頻率單向性的修改<formula>formula see original document page 9</formula>其中n表示增益介質(zhì)的光學(xué)系數(shù)。如通過方程l所描述的，正弦 運動的情況下，引起的單向性類似于在機械啟動的激光陀螺儀中正常 使用的那些。在后一種情況下，正弦運動不在被限制到放大介質(zhì)，而 對整個增益腔施加影響。作為非限制性的例子，對于在5kHz的頻率fm下，由X(t)-XmSin(27tfmt)給出的具有8微米的振幅Xm的增益介質(zhì)振蕩運動來 說，由Vc(t":i(t"27lfmXmCOS(2兀fmt)給出的增益介質(zhì)的速度達到0.25° m/s的振幅，與大約160° /s的振幅偏差對應(yīng)，這是對于具有等于691 ° /s的標(biāo)定因子^和24厘米的光學(xué)周長的陀螺儀來說，其中晶體具有 1.82的系數(shù)n和25毫米的長度。因此，在本段中所提到的效果其實與 通常由機械啟動引起的數(shù)量級上相同，從而所提出的替代成為現(xiàn)實。 另外，該方法保留了對機械運動的有利本質(zhì)，即在長采集時間之后引 入的偏差的時間平均值不會漂移。當(dāng)然，僅僅在生成偏差中涉及的參 數(shù)諸如晶體長度或者光學(xué)系數(shù)在增益介質(zhì)的運動循環(huán)期間不顯著變化 的條件下這才是真實的。如果需要的話，如同對于機械啟動激光陀螺 儀來說正常使用的超活化運動，可被施加到增益介質(zhì)上。總而言之，通過固體激光陀螺儀中的增益介質(zhì)受到運動能夠 引入振蕩相，其具有將由增益介質(zhì)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵弓I起的后 向散射平均為零的作用； 使駐波相對于增益介質(zhì)的原子發(fā)生位移，這具有降低粒子數(shù) 反轉(zhuǎn)光柵的對比度的作用；以及 引入能夠代替或者輔助機械啟動的效果的頻率振動偏差。模型間競爭的問題沒有通過相同的增益介質(zhì)的運動完全解決。 這是因為兩個相對傳播模式總是共用同樣的原子，并且兩種模式中 的一個易于獨占得到的增益而損害另一個，這可使陀螺儀的運行混 亂。如果需要的話，根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀因而可包括穩(wěn)定裝置， 該穩(wěn)定裝置可包括作用于模式之間的不同損耗的反饋環(huán)。將周期平移運動施加到放大介質(zhì)上的電動機械裝置的效率取決 于調(diào)制頻率和振幅的選擇。特別是，振動頻率越高裝置運行得越好。 典型時間常數(shù)是增益介質(zhì)中激發(fā)態(tài)的壽命。振動振幅典型地具有與 光學(xué)波長的振幅同級的振幅。如上所述，存在一系列振動振幅的離 散值，它們使本發(fā)明的效率最大化。為了減小光后向散射的影響，晶體的面千萬不要與激光腔中的 光束的傳播方向垂直。有利地，晶體的一個面可以布儒斯特角(Brewster angle )設(shè)置。如圖2， 3， 4所示，晶體的運動方向有三種可能性 圖2:棒3的幾何軸平行于運動的方向，也平行于光束在晶 體中的傳播軸； 圖3:入射光束的軸平行于啟動的方向；以及 圖4:入射光束的軸、傳播方向和運動方向是不相同的。 優(yōu)選的，如圖2所示，放大晶體3的光軸可被選擇成與光束在 晶體中的傳播方向平行。如上所述，在腔2中設(shè)置用于穩(wěn)定相對傳播模式的強度的裝置 8可能是有用的。 一般說來，穩(wěn)定裝置包括設(shè)置在腔中包括至少一 個偏振元件、表現(xiàn)出單向效應(yīng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器和光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng) 組成。該光學(xué)元件是表現(xiàn)出可逆效應(yīng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器或者雙折射元件。 至少一種效果或者雙折射是可根據(jù)在兩個相對傳播模式之間存在的 強度差調(diào)節(jié)的。作為非限制性的例子，圖5顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的電動機械 裝置和用于穩(wěn)定相對傳播模式的強度的裝置的激光陀螺儀。 該激光陀螺儀1從而包括 包括四個鏡子7的環(huán)狀激光腔2;o所述激光腔具有略微非平面構(gòu)造以便產(chǎn)生幾度的偏振的可逆旋轉(zhuǎn)。因此，在圖5中，四個鏡子7中的三個由傾斜的 橢圓表示，和o腔的鏡子中的一個另外具有強偏振效果。這是因為對 于被偏振的模式來說，這是正確操作模式強度穩(wěn)定裝置所需要 的。偏振效果由圖5中的鏡子7中的一個上面的箭頭象征性地 顯示； 放大介質(zhì)3，其為由激光二極管在808nm處光學(xué)泵浦的摻釹 YAG晶體，所述二極管在圖5中沒有被顯示； YAG晶體3安裝在以大約20千赫的頻率對其進行振動并具有 大約8微米的最大振幅的壓電裝置6上； 穩(wěn)定裝置包括o兩個光電二極管82，它們與伺服控制裝置83耦合并 測定兩個相對傳播光學(xué)模式4和5的強度，o圍繞YAG晶體的電磁線圈81，使其能夠引入可調(diào)節(jié) 的法拉第效應(yīng)，和o伺服控制裝置83，其產(chǎn)生在線圈81中流動的電流， 所述電流與相對傳播模式4和5之間的強度差成比例。該電流 的符號被選擇成使強度模式越強，受到的損耗越高；和 用于讀取并處理陀螺測量儀信號9的裝置，包括-o用于使相對傳播模式干擾和用于測定干擾邊緣的系統(tǒng) 參數(shù)的光電子部件91，以及o用于從這些參數(shù)中恢復(fù)角速度或者位移信息的計算部 件92。如果需要的話，整個裝置被設(shè)置在機械啟動輪上。當(dāng)然，能夠產(chǎn)生用于測定沿著三個不同軸的相對角位置或者角速度的，包括根據(jù)本發(fā)明的三個激光陀螺儀的系統(tǒng)，這些被沿著不同方向定向并安裝在共用機械結(jié)構(gòu)上。
權(quán)利要求
1、一種激光陀螺儀(1)，包括至少一個環(huán)狀形式的光學(xué)腔(2)和固體放大介質(zhì)(3)，該環(huán)狀形式的光學(xué)腔(2)和固體放大介質(zhì)(3)被設(shè)計成使兩個相對傳播的光學(xué)模式(4、5)能夠在所述光學(xué)腔(2)內(nèi)部相對于彼此沿相反方向傳播并經(jīng)過放大介質(zhì)(3)，其特征在于所述放大介質(zhì)(3)與在所述放大介質(zhì)上施加沿著大體上與所述光學(xué)模式的傳播方向平行的軸周期性平移運動的電動機械裝置(6)耦合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于運動的振幅 遵循作為時間函數(shù)的正弦定律。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于由周期平移 運動的最大振幅乘以光學(xué)模式的平均波向量得到的乘積與零級 Bessd函數(shù)的零值中的一個的一半相應(yīng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于周期平移運 動的頻率與放大介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的壽命的倒數(shù)數(shù)量級相同或者 比其更大。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于周期平移運 動的頻率與參數(shù)諧振頻率不同，所述諧振頻率包括激光的弛豫頻率。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于電動機械裝 置(6)是壓電型。
7、 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項的激光陀螺儀，其特征在于包 括用于穩(wěn)定相對傳播模式的強度的裝置(8)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的激光陀螺儀，其特征在于所述穩(wěn)定裝 置包括設(shè)置在腔中的光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個偏振元件 (7)，顯示單向效應(yīng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器和光學(xué)元件，所述光學(xué)元件可以 是顯示可逆效應(yīng)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器或者雙折射元件，至少一個旋轉(zhuǎn)角度 或者雙折射是可調(diào)節(jié)的。
9、用于測定沿著三個不同軸的相對角位置或者角速度的系統(tǒng)， 其特征在于該系統(tǒng)包括三個根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項的激光 陀螺儀，這些被沿著不同方向定向并安裝在共用機械結(jié)構(gòu)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及固體環(huán)狀激光器或者激光陀螺儀。根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀包括至少一個環(huán)狀形式的光學(xué)腔(2)和固體放大介質(zhì)(3)，它們被設(shè)計成使兩個相對傳播的光學(xué)模式(4、5)能夠在所述光學(xué)腔(2)內(nèi)部相對于彼此沿相反方向傳播并經(jīng)過放大介質(zhì)(3)，所述放大介質(zhì)(3)與在所述放大介質(zhì)上施加沿著基本上與所述光學(xué)模式的方向平行的方向周期性平移運動的電動機械裝置(6)耦合。因此，由駐波形成到放大介質(zhì)中干擾激光陀螺儀的標(biāo)稱運行的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵被極大地被衰減。
文檔編號G01C19/72GK101126643SQ20071014651
公開日2008年2月20日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者F·古蒂, G·皮格奈特, J-P·波楚利, S·施瓦茨 申請人:泰勒斯公司