專利名稱：具有固態(tài)放大介質(zhì)和光學環(huán)形腔的激光陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括固態(tài)放大元件的激光陀螺儀。
背景技術：
激光陀螺儀是運動傳感器，其使得測量傳感器的參考系相對于伽利略參考系繞一個或多個軸的旋轉速率成為可能。激光陀螺測速儀或激光陀螺儀是雙向環(huán)形激光器，其使得測量角速率(或通過對時間積分，相對角位置)成為可能。其包括由組裝于塊上的數(shù)個反射鏡(mirror)構成的光學腔，塊中鉆出有路徑以提供光學腔。放大介質(zhì)被插入到腔的光路中，且激發(fā)系統(tǒng)必需向放大介質(zhì)提供能量以使得可能生成激光增益。選擇構成激光腔的元件以容許雙向操作激光腔必需能夠同時維持在相反方向上的兩個波(所謂的逆向旋轉波)。激光陀螺儀通常用于測量旋轉速率或角位置。此類型的儀器特別地用于航空應用。激光陀螺儀的操作原理基于施加有旋轉運動的環(huán)形激光腔中的薩格奈克效應 (Sagnac effect) 0當腔靜止時，兩個逆向旋轉波呈現(xiàn)相同的光學頻率。在光學腔的平面中存在旋轉運動時，薩格奈克效應包括兩個逆向旋轉光學波之間的頻率差Ω。從腔提取每個波的一部分能量。復合器件使得兩個提取的束相干涉以便形成借助于一個或多個光檢測器觀察到的干涉條紋。在理想的激光陀螺測速儀中，光檢測器前面的條紋的頻率與施加于腔上的旋轉速率成比率，并且它們的行進方向取決于旋轉方向。大多數(shù)激光陀螺測速儀，也稱作激光陀螺儀，使用氣體放大介質(zhì)，該放大介質(zhì)通常是氦和氖的混合物。于是通常通過在氣體中產(chǎn)生等離子體來執(zhí)行氣體放大介質(zhì)的激發(fā)，例如通過在機械上牢固地連接至腔的兩個電極之間生成放電來執(zhí)行氣體放大介質(zhì)的激發(fā)。然而，在激光陀螺儀的生產(chǎn)期間，放大介質(zhì)的氣體性質(zhì)依然是技術復雜的根源，特別是因為需要高的氣體純度。此外，其導致激光器老化、對腔的密封的敏感、某些電極隨操作的退化的根源。利用固態(tài)放大介質(zhì)產(chǎn)生激光陀螺儀是可能的，其中，氣體放大介質(zhì)由固態(tài)元件替代，例如通過采用YAG(釔鋁石榴石)基體中的釹離子，通常由Nd:YAG表示，產(chǎn)生在近紅外操作的固態(tài)激光陀螺儀是可能的。晶體基體或摻雜有屬于稀土(鉺、鐿等)種類的離子的玻璃、或另外的半導電材料能夠用作放大介質(zhì)。從而避免了氣態(tài)放大介質(zhì)固有的所有問題。 因為通常采用的晶體或玻璃基體是非常壞的電導體，所以僅光泵浦能夠激發(fā)放大介質(zhì)。合適波長的光束必需注入到固態(tài)放大介質(zhì)的有用體積中，以引起期望的原子躍遷的粒子數(shù)反轉，該粒子數(shù)反轉使得可能引起光增益。借助于激光二極管或光纖激光二極管，當前能夠有效地執(zhí)行此泵浦。固態(tài)激光陀螺儀通常用于測量旋轉速率或角位置。此類型的儀器特別地用于航空應用。為了優(yōu)化光泵浦，執(zhí)行縱向泵浦是可能的，或者另作說明，通過激光腔的反射鏡將能量注入到諧振束的軸中。能夠可選地利用附加的內(nèi)部裝置來穩(wěn)定逆向旋轉波方式的操作。于是能夠通過觀察兩個逆向旋轉諧振波之間的干涉執(zhí)行腔的旋轉速率的測量。光泵浦的縱向配置使得必需將注入的束以小于二十微米的精度疊加于腔中的光學穩(wěn)定束上。通過將用于注入的光學部件牢固地連接至獨立的支架通常能夠獲得該精度， 該支架裝配有用于調(diào)節(jié)位置和傾斜的元件。此支架的運動不受限于光腔的運動。為了補償具有氣態(tài)放大介質(zhì)的激光陀螺儀中固有的限制，對于低的旋轉速率，典型地小于每秒十分之幾度或?qū)嶋H上百分之幾度的旋轉速率，其通常選擇為通過機械活動使腔永久經(jīng)受IOOHz至IkHz量級的頻率的振蕩旋轉運動。此實施模式使得具有氣態(tài)放大介質(zhì)的激光陀螺儀在稱作盲區(qū)的此低的旋轉速率范圍中正確地操作，此盲區(qū)歸因于來自反射鏡的背散射。通常由兩個電極構成的激發(fā)裝置牢固地連接至塊并且其仍然產(chǎn)生于腔的活動中，該兩個電極間的大的電壓差引起氣體的離化。具有固態(tài)放大介質(zhì)例如摻釹YAG基體的激光陀螺測速儀呈現(xiàn)相同的盲區(qū)限制，考慮到固態(tài)放大介質(zhì)中的逆向旋轉波的附加耦合，可以增大該盲區(qū)限制，該固態(tài)放大介質(zhì)通常具有所謂的均勻展寬的增益。調(diào)換該實施模式，即腔的機械活動，至固態(tài)激光陀螺儀產(chǎn)生問題，因為在此情況下，注入光學器件在經(jīng)歷旋轉振蕩運動的腔外部，該振蕩旋轉運動時間上改變放大介質(zhì)相對于泵浦束的位置，由此引起對腔發(fā)射的強度的調(diào)制，這可以引起激光陀螺儀的嚴重的不正常操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是減輕上述各種問題。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種具有固態(tài)放大介質(zhì)和光學環(huán)形腔的激光陀螺儀，所述激光陀螺儀包括圍繞所述光學腔并能夠經(jīng)歷振蕩旋轉運動的組件，以及至少一個用于進入到所述固態(tài)放大介質(zhì)中的能量的縱向注入的外部光學器件。所述具有固態(tài)放大介質(zhì)的激光陀螺儀包括配置為平移地和旋轉地結合圍繞所述光學腔的所述組件和用于能量的縱向注入的所述外部光學器件的固定組件。從而，實現(xiàn)具有固態(tài)放大介質(zhì)和環(huán)形光學腔的激光陀螺儀是可能的，該激光陀螺儀甚至能夠?qū)τ诩す馔勇輧x的低的旋轉速率執(zhí)行提高精度的測量。在一個實施例中，-所述光學腔包括數(shù)個反射鏡和至少一個部分反射鏡；以及-所述固定組件設計成使得取決于所述激光陀螺儀的光學和機械限制，傳送用于能量的縱向注入的外部光學器件的能量的部件位于距對應的部分反射鏡最小距離處，并設計成使得用于能量的縱向注入的所述外部光學器件在所述振蕩旋轉運動期間不變得失調(diào)。本發(fā)明使得具有固態(tài)放大元件的激光陀螺儀能夠在稱作盲區(qū)的區(qū)域中正確地操作，此盲區(qū)歸因于來自反射鏡的背散射。例如，用于能量的縱向注入的至少一個外部光學器件包括能量源、與所述固定組件平移地連接的球面鏡、以及設置于所述能量源與所述球面鏡之間的會聚雙凸透鏡。該實施例使得可能最小化光學注入器件的元件的數(shù)量。例如，用于能量的縱向注入的至少一個外部光學器件包括能量源、與所述固定組件平移地連接的球面鏡、設置于所述能量源與所述球面鏡之間的第一凹面平面或凸面平面透鏡、以及設置于所述球面鏡與對應的部分反射鏡之間的第二凹面平面或凸面平面透鏡。采用具有在安裝器件時能夠用作承載表面的平面的表面的透鏡，增大了組件中的精度和再現(xiàn)性，并使得可能減小隨后在定位聚焦點時所需的調(diào)整的幅度。采用數(shù)個透鏡也能夠使得可能減小聚焦點處的幾何像差。在一個實施例中，用作用于所述球面鏡的支撐物的所述固定組件的部分相對于入射能量束傾斜大體45°并且相對于能量注入反射束傾斜大體45°。從而，使用注入器件的幾何配置是可能的，該器件減小其慣性并有助于其隨腔活動。根據(jù)一個實施例，所述球面鏡的曲率半徑在約0. 5m與細之間。從而，通過在球面鏡的支撐平面上平移球面鏡，可以以所需的精度調(diào)整注入器件。在一個實施例中，所述固定組件包括用于固定所述球面鏡，以便在調(diào)整所述能量注入后保持所述球面鏡在所述固定組件上的位置的裝置。例如，所述固定裝置包括后部支撐物或膠。從而，在所述振蕩旋轉運動期間，不更改所述能量注入。在一個實施例中，所述激光陀螺儀包括相對于所述固態(tài)放大介質(zhì)大體對稱設置的兩個用于能量的縱向注入的外部光學器件。該實施例使得可能使放大介質(zhì)中的增益均勻，并使得可能減少可以源自放大介質(zhì)中的有源體積的不對稱的虛零點的根源。


在閱讀通過完全非限制性的范例描述的并通過所附附圖示例的數(shù)個實施例后，將可以更好地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一方面的激光陀螺儀的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的激光陀螺儀的示意圖；圖3是用于根據(jù)圖1或圖2的激光陀螺儀的用于能量的縱向注入的外部光學器件的示意圖；以及圖4是用于根據(jù)圖1或圖2的激光陀螺儀的用于能量的縱向注入的另一外部光學器件的示意圖。
具體實施例方式在各附圖中，具有相同標記的元件是相同的。如圖1中所示例的，具有固態(tài)放大介質(zhì)MAES和環(huán)形光學腔COA的激光陀螺儀GL 包括圍繞光學腔COA且能夠經(jīng)歷振蕩旋轉運動的組件EE。未描繪用于將組件EE設定到振蕩旋轉運動的器件。以常規(guī)方式，用于將組件EE設定到振蕩旋轉運動的此器件通過機械活動，對可以達到每秒一百度或?qū)嶋H上每秒幾百度的最大角速率，產(chǎn)生頻率為IOOHz至IkHz 的振蕩。激光陀螺儀GL還包括用于進入到固態(tài)放大介質(zhì)MAES中的能量的縱向注入的至少一個外部光學器件DE0ILE。激光陀螺儀GL還包括配置為平移地和旋轉地結合包圍光學腔 COA的組件EF和用于能量的縱向注入的外部光學器件的固定組件EF。
環(huán)形光學腔COA包括數(shù)個反射鏡MR，在此示例中為三個，并包括均反射光學腔內(nèi)生成的激光波并且至少部分地將另一波長的縱向注入的外部能量透射至固態(tài)放大介質(zhì) MAES的部分反射鏡MPR或二向色鏡。固定組件EF設計成使得，取決于激光陀螺儀的光學和機械限制，傳送用于能量的縱向注入的外部光學器件DEOILE的能量的部件位于距部分反射鏡MI5R最小距離處，并且設計成使得，用于能量的縱向注入的外部光學器件DEOILE在所述振蕩旋轉運動期間不會變
得失調(diào)。圖2中，作為變型，類似于圖1的激光陀螺儀包括用于能量的縱向注入的兩個外部光學器件DE0ILE，該兩個外部光學器件相對于固態(tài)放大介質(zhì)MAES基本對稱地設置。用于能量的縱向注入的每個外部光學器件通過各自的固定組件EF直接鏈接，固定組件EF配置為平移地和旋轉地結合包圍光學腔COA的組件EE和對應的用于能量的縱向注入的外部光學器件 DEOILE。圖3和4示意性地示例根據(jù)圖1或2的用于能量的縱向注入的外部光學器件 DEOILE的兩個實施例。圖3描繪用于能量的縱向注入的外部光學器件DEOILE的第一實施例，該光學器件包括能量源S、與固定組件EF平移地連接的球面鏡MS、以及設置于能量源S與球面鏡MS之間的會聚雙凸透鏡L。圖4描繪用于能量的縱向注入的外部光學器件DEOILE的第二實施例，該光學器件包括能量源S、與固定組件EF平移地連接的球面鏡MS、設置于所述能量源S與球面鏡MS之間的第一透鏡Li、以及設置于球面鏡MS與對應的部分反射鏡MPR之間的第二透鏡L2。第一和第二透鏡Ll和L2可以是凹面平面(concave planar)的或凸面平面(convex planar) 的，平面的表面在安裝器件時能夠用作承載表面，以增大組件中的精度和再現(xiàn)性并減小隨后在定位聚焦點時所需的調(diào)整的幅度。用作用于球面鏡MS的支撐物的固定組件EF的部分相對于入射能量束傾斜大體 45°并且相對于反射的能量注入束傾斜大體45°，以便通過在補償光學器件引入的幾何像差時維持容許好的聚焦的尺度，來減小注入器件相對于腔的活動軸的慣性(inertia)。球面鏡MS的曲率半徑在約0. 5m與細之間。固定組件EF包括用于固定球面鏡MS以便在調(diào)整能量注入后保持其在固定組件EF 上的位置的裝置。例如，這些固定裝置可以是使得可能更改調(diào)整的后部支撐物，或用以使調(diào)整變得不可更改的膠。本發(fā)明使得可能以減小的成本來生產(chǎn)具有固態(tài)放大介質(zhì)和光學環(huán)形腔的激光陀螺儀，這使得甚至對于激光陀螺儀的低旋轉速率也能夠執(zhí)行精確的測量。
權利要求
1.一種具有固態(tài)放大介質(zhì)(MAEQ和光學環(huán)形腔(COA)的激光陀螺儀，所述激光陀螺儀包括圍繞所述光學腔(COA)并能夠經(jīng)歷振蕩旋轉運動的組件(EE)，以及至少一個用于進入到所述固態(tài)放大介質(zhì)(MAEQ中的能量的縱向注入的外部光學器件(DEOILE)，其特征在于，所述激光陀螺儀包括配置為平移地和旋轉地結合圍繞所述光學腔的所述組件(EE)和用于能量的縱向注入的所述外部光學器件(DEOILE)的固定組件(EF)。
2.如權利要求1所述的激光陀螺儀，其中-所述光學腔(COA)包括數(shù)個反射鏡(MR)和至少一個部分反射鏡(MPR)；以及-所述固定組件(EF)設計成使得取決于所述激光陀螺儀的光學和機械限制，傳送用于能量的縱向注入的外部光學器件(DEOILE)的能量的部件位于距對應的部分反射鏡(MPR) 最小距離處，并設計成使得用于能量的縱向注入的所述外部光學器件(DEOILE)在所述振蕩旋轉運動期間不變得失調(diào)。
3.如權利要求1或2所述的激光陀螺儀，其中，用于能量的縱向注入的至少一個外部光學器件(DEOILE)包括能量源(S)、與所述固定組件(EF)平移地連接的球面鏡(MQ、以及設置于所述能量源( 與所述球面鏡(MQ之間的會聚雙凸透鏡(L)。
4.如權利要求1或2所述的激光陀螺儀，其中，用于能量的縱向注入的至少一個外部光學器件(DEOILE)包括能量源(S)、與所述固定組件(EF)平移地連接的球面鏡(MQ、設置于所述能量源( 與所述球面鏡(MQ之間的第一凹面平面或凸面平面透鏡(Li)、以及設置于所述球面鏡(MS)與對應的部分反射鏡(MPR)之間的第二凹面平面或凸面平面透鏡(L2)。
5.如前述權利要求中的一項所述的激光陀螺儀，其中，所述固定組件(EF)的用作所述球面鏡(MS)的支撐物的部分相對于入射能量束傾斜大體45°并且相對于能量注入反射束傾斜大體45°。
6.如前述權利要求中的一項所述的激光陀螺儀，其中，所述球面鏡(MQ的曲率半徑在約0. 5m與4m之間。
7.如前述權利要求中的一項所述的激光陀螺儀，其中，所述固定組件(EF)包括用于固定所述球面鏡(MQ，以便在調(diào)整所述能量注入后保持所述球面鏡(MQ在所述固定組件 (EF)上的位置的裝置。
8.如權利要求7所述的激光陀螺儀，其中，所述固定裝置包括后部支撐物或膠。
9.如前述權利要求中的一項所述的激光陀螺儀，包括相對于所述固態(tài)放大介質(zhì) (MAES)大體對稱設置的兩個用于能量的縱向注入的外部光學器件(DEOILE)。
全文摘要
一種具有固態(tài)放大介質(zhì)(MAES)和光學環(huán)形腔(COA)的激光陀螺儀，所述激光陀螺儀包括圍繞所述光學腔(COA)并能夠經(jīng)歷振蕩旋轉運動的組件(EE)，以及至少一個用于進入到所述固態(tài)放大介質(zhì)(MAES)中的能量的縱向注入的外部光學器件(DEOILE)。所述激光陀螺儀還包括配置為平移地和旋轉地結合圍繞所述光學腔的所述組件(EE)和用于能量的縱向注入的所述外部光學器件(DEOILE)的固定組件(EF)。
文檔編號G01C19/72GK102177412SQ200980140002
公開日2011年9月7日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權日2008年10月28日
發(fā)明者F·古蒂, G·弗格內(nèi), S·施瓦茨 申請人:塔萊斯公司