專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖氣體激光器和具有該激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖激光器和具有該激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀， 特別涉及一種光纖氣體激光器和具有該激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀。
背景技術(shù)：
陀螺儀是用于測(cè)量慣性坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)動(dòng)的儀器。陀螺儀的應(yīng)用在我們周 圍無(wú)處不存在，例如，在國(guó)防領(lǐng)域中導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)、潛艇長(zhǎng)期潛伏在水下 的精確導(dǎo)航、行進(jìn)中的坦克保持火炮和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的穩(wěn)定等都離不開(kāi)陀螺儀。 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中，工程測(cè)量的精確定位、石油鉆探的精確定向、機(jī)器人動(dòng) 作精確控制等也要靠陀螺儀。g卩使在日常生活中，人們?cè)诓恢挥X(jué)中也已經(jīng) 或?qū)⒌靡嬗谕勇輧x。比如飛機(jī)在飛行中使旅客感到十分平穩(wěn)和舒適是得益于 陀螺儀構(gòu)成的航向姿態(tài)參考系統(tǒng)。隨著列車(chē)提速，消除車(chē)廂擺動(dòng)尤其高速轉(zhuǎn) 彎時(shí)的擺動(dòng)，就要借助于陀螺儀。還有，汽車(chē)行駛中的定位和導(dǎo)向，在目前主要靠全球定位系統(tǒng)(GPS)，但GPS的使用存在著被動(dòng)性的缺點(diǎn)，當(dāng)GPS 與陀螺組合在一起時(shí)，才使汽車(chē)導(dǎo)向和自動(dòng)駕駛真正具備了主動(dòng)性。陀螺儀的種類(lèi)很多，包括機(jī)電的、激光的、光纖的、壓電的和微機(jī)械的 等等。其中，光學(xué)陀螺儀的工作原理是薩格納克效應(yīng)(Sagnac effect)。薩 格納克效應(yīng)是指同一光源同一光路，兩束反向傳播光束之間的光程差或相位 差與其光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比的現(xiàn)象。光學(xué)陀螺儀中一種重要的類(lèi)型是環(huán)形激光陀螺儀(RLG)。其中，激光 陀螺儀的主要部件是激光器。 一般的激光器都是由三部分組成激光工作物 質(zhì)、激勵(lì)(泵浦)系統(tǒng)以及光學(xué)共振腔。用于激光陀螺儀的激光器需要做成 環(huán)型腔結(jié)構(gòu)。激光陀螺儀可分為內(nèi)腔式和外腔式結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參見(jiàn)圖la和圖lb， 圖la示出了現(xiàn)有技術(shù)中的外腔式環(huán)形激光陀螺儀；圖lb示出了現(xiàn)有技術(shù)中 的內(nèi)腔式環(huán)形激光陀螺儀。圖la的外腔式結(jié)構(gòu)中，是將一個(gè)氦氖放電管(增益管或叫放大器)7置 于由三面鏡子8構(gòu)成的環(huán)形光學(xué)共振腔內(nèi)。氦氖放大器7能在光學(xué)共振腔內(nèi)
產(chǎn)生沿相反方向傳播的激光。陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，兩束反向傳播的激光束 的光路和頻率將存在差別，兩束光的頻率差和角速度之間的關(guān)系如下<formula>formula see original document page 5</formula>(1)其中，X是激光的波長(zhǎng)，few和fe^分別是順時(shí)針激光束和逆時(shí)針激光束 的頻率，A是環(huán)型光路所包圍的面積，P是光路的周長(zhǎng)，Q是轉(zhuǎn)速。如圖lb所示，內(nèi)腔式結(jié)構(gòu)的增益介質(zhì)充滿(mǎn)整個(gè)環(huán)形腔，腔體是由在石 英或其它低膨脹材料上打出存放激勵(lì)氣體的環(huán)形毛細(xì)孔道9和電極引入孔 10，毛細(xì)孔道9也就是環(huán)型共振腔的光通路。介質(zhì)膜反射鏡8用光膠粘在高 度拋光的腔體端面以形成低損耗共振腔。內(nèi)腔式激光陀螺儀的兩束反向傳播 的激光的頻率差和角速度之間的關(guān)系如下也由式(1)給出。為了實(shí)現(xiàn)高精度陀螺儀，無(wú)論對(duì)內(nèi)腔式還是對(duì)外腔式結(jié)構(gòu)，都需對(duì)其腔 長(zhǎng)進(jìn)行精確控制從而使激光的平均頻率(few+feew) /2穩(wěn)定在最大增益處；需 應(yīng)用雙陽(yáng)極，共陰極結(jié)構(gòu)以消除朗繆爾流動(dòng)效應(yīng)對(duì)陀螺性能的影響；需應(yīng)用 特殊的合光棱鏡11使反向傳輸?shù)膬墒す庑纬筛缮鏃l紋并應(yīng)用光探測(cè)器和 后續(xù)電子電路來(lái)讀取兩束激光的頻率差。和機(jī)械陀螺儀相比，環(huán)形激光陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因而對(duì)搖 動(dòng)、振動(dòng)等很多誤差源不是很敏感，并且修正誤差的時(shí)間也很短。此外，環(huán)形激光陀螺儀還具有很大的線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍(從低于0.01°/hr到1000。/hr)和 數(shù)字(頻率)式輸出。但是，環(huán)形激光陀螺儀對(duì)環(huán)型腔體的制作和鏡子的質(zhì) 量要求很高，其所采用的生產(chǎn)技術(shù)也是其它領(lǐng)域所不常采用的特殊技術(shù)，因 此制造成本很高。光學(xué)陀螺儀的另一種重要類(lèi)型是干涉型光纖陀螺儀(IFOG)。圖2示出了這種類(lèi)型的陀螺儀。陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)同一個(gè)敏感光纖環(huán)圈12中沿相反方向傳輸?shù)膬墒庵g會(huì)產(chǎn)生光程差(相位差或叫相移)。兩束光的相位差和角速度之間的關(guān)系為<formula>formula see original document page 5</formula>(2)其中L為光纖的長(zhǎng)度，D為光纖環(huán)的直徑，N為光纖繞環(huán)的圈數(shù)。由于 干涉效應(yīng)，探測(cè)器(D)處的光強(qiáng)將隨相位差的變化而變化，因此可用來(lái)測(cè)
量角速度。干涉型光纖陀螺儀常常采用寬帶低相干光源。這樣的光源配合以 高質(zhì)量的偏振器、保偏光纖、特殊的光纖環(huán)繞制和磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)，基本上消 除了由于反射、散射、克爾效應(yīng)、偏振效應(yīng)、時(shí)間相關(guān)熱效應(yīng)和外部磁場(chǎng)效 應(yīng)所帶來(lái)的噪音和誤差。干涉型光纖陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)也包括沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，從 而降低了振動(dòng)和加速度對(duì)陀螺儀性能的影響。此外，干涉型光纖陀螺儀還能 利用光纖通訊領(lǐng)域已有的元件，因而制造成本較低。但是，由于干涉型光纖 陀螺儀對(duì)角速率的靈敏度與光纖環(huán)圈中的光纖長(zhǎng)度成正比，因此如要獲得理 想的測(cè)量效果，需要數(shù)百米到數(shù)公里長(zhǎng)的單模光纖。干涉型光纖陀螺的輸出為模擬信號(hào)，其輸出光強(qiáng)度和角速度呈非線(xiàn)性(正弦或余弦)關(guān)系；這就限 制了光纖陀螺的線(xiàn)性測(cè)量范圍，為了實(shí)現(xiàn)在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的線(xiàn)性輸出，需 要通過(guò)反饋控制在環(huán)路中引進(jìn)附加相移來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)動(dòng)引起的相移(即使陀螺工 作在閉環(huán)狀態(tài))。另外，由式(2)所知，兩束光的相位差和角速度之間的 比例因子和波長(zhǎng)成反比；由于寬帶光源波長(zhǎng)較難定義而且不很穩(wěn)定，因此導(dǎo) 致陀螺比例因子的不穩(wěn)定。發(fā)明內(nèi)容有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的環(huán)形激光陀螺儀的制作工藝復(fù)雜、難度高以及干涉 型光纖陀螺儀模擬輸出和比例因子的不穩(wěn)定等問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供 一種綜合這兩種陀螺儀的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺陷的光纖氣體激光器和具有該激 光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光纖氣體激光器，包括激勵(lì)氣體 、光學(xué)共振腔和激勵(lì)源，其特征在于，該光學(xué)共振腔由空心光纖和單模光纖 耦合器構(gòu)成，所述單模光纖耦合器兩臂為實(shí)心光纖，所述兩臂分別和所述空 心光纖的兩端相連接，所述空心光纖的纖芯中充滿(mǎn)作為增益介質(zhì)的激勵(lì)氣 體。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，所述空心光纖的纖芯直徑為5 200 y m。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，所述空心光纖是毛細(xì)導(dǎo)光管、空 心布拉格光纖、空心菲涅爾光纖和空心光子帶隙光纖。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該激勵(lì)氣體為氦氖混合氣。氣體激光器，其中，該光纖氣體激光器還包括儲(chǔ)氣室， 所述儲(chǔ)氣室環(huán)繞所述空心光纖設(shè)置，所述空心光纖的處于所述儲(chǔ)氣室中的部 分開(kāi)設(shè)有氣孔，以連通所述纖芯和所述儲(chǔ)氣室。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該光纖氣體激光器還包括儲(chǔ)氣室， 所述空心光纖和所述實(shí)心光纖的連接部處留有尺寸小于或等于所述纖芯直 徑的間隙，所述儲(chǔ)氣室設(shè)置在該連接部處，所述間隙連通所述纖芯和所述儲(chǔ) 氣室。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，所述空芯光纖由兩段連接而成， 所述空心光纖的連接部處留有尺寸小于或等于所述纖芯直徑的間隙，所述連 接部設(shè)置有儲(chǔ)氣室，所述間隙連通所述纖芯和所述儲(chǔ)氣室。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該激勵(lì)源是直流放電激勵(lì)裝置， 包括設(shè)置于所述儲(chǔ)氣室內(nèi)的陰極和陽(yáng)極。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該激勵(lì)源還包括與該直流放電激 勵(lì)裝置結(jié)合的射頻放電激勵(lì)裝置。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該激勵(lì)源是射頻激勵(lì)裝置，包括 射頻發(fā)射源以及巻繞在所述空心光纖上的至少一個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈。根據(jù)本發(fā)明的光纖氣體激光器，其中，該激勵(lì)源是電容耦合射頻激勵(lì)裝 置，包括至少一對(duì)將所述空心光纖夾在中間的平板電極。本發(fā)明還提供了一種光纖型環(huán)形激光陀螺儀，該光纖型環(huán)形激光陀螺儀 包括如上所述的光纖氣體激光器。根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，還包括共振腔長(zhǎng)度控制裝置，包 括光纖調(diào)制器，反饋控制器和光纖補(bǔ)償器。根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其中，該光纖調(diào)制器和該光纖補(bǔ) 償器是巻繞著光纖的同一壓電陶瓷元件。根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其中，該光纖調(diào)制器和該光纖補(bǔ) 償器分別是巻繞著光纖的不同壓電陶瓷元件。根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，還包括拍頻數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其中，該拍頻讀取系統(tǒng)包括3x3 耦合器以及和該耦合器的三個(gè)輸出端連接的三個(gè)光探測(cè)器。本發(fā)明中的光纖氣體激光器中采用填充氦氖混合氣的空心光纖形成光 波導(dǎo)和放電管，放大效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于制造。對(duì)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀的散粒噪音引起的性能極限進(jìn)行初步評(píng)估，結(jié)果顯示該散粒噪音性能極限與干涉型光纖陀螺儀和常規(guī)RLG 相似。但是，本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀既不需要長(zhǎng)光纖，也不需要高 質(zhì)量的鏡子，實(shí)現(xiàn)了成本的降低。光纖環(huán)的長(zhǎng)度可以在保持陀螺儀整體尺寸 小的情況下根據(jù)性能需要在一定范圍內(nèi)改變，具有一定的尺寸可調(diào)性。本發(fā)明中具有上述激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀成本低廉、性能廣 泛，可以用于自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人應(yīng)用、地質(zhì)探測(cè)、導(dǎo)彈穩(wěn)定性、油井鉆 孔、戰(zhàn)術(shù)武器導(dǎo)向、火箭導(dǎo)航系統(tǒng)等。


圖la示出了現(xiàn)有技術(shù)中的外腔式環(huán)形激光陀螺儀；圖lb示出了現(xiàn)有技術(shù)中的內(nèi)腔式環(huán)形激光陀螺儀；圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的干涉型光纖陀螺儀；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光纖氣體激光器；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光纖氣體激光器；圖5a至5d示出了可用于本發(fā)明的幾種空芯光纖的截面圖；圖6示出了用于根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀的拍頻讀取系統(tǒng)；圖7示出了用于根據(jù)本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀的共振腔長(zhǎng)度控制裝置。
具體實(shí)施方式
下面將參照下述附圖通過(guò)例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光纖氣體激光器。 根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光纖氣體激光器包括電激勵(lì)源、光學(xué)共振腔以 及激勵(lì)氣體。光學(xué)共振腔是空心光纖11、 12和單模光纖耦合器2兩臂的實(shí) 心光纖21、 22利用現(xiàn)有低損耗連接技術(shù)連接而成的光纖環(huán)形腔。空心光纖 11、 12的中空部分充滿(mǎn)激勵(lì)氣體，作為增益管(放電管)。激勵(lì)源是直流放 電激勵(lì)裝置。具體的，兩段長(zhǎng)度基本相等的空心光纖11、 12的一端通過(guò)固定裝置(未
示出)保持一定間隙對(duì)接，構(gòu)成光纖氣體激光器的增益管，空心光纖ll、 12 的纖芯中填充氦氖激勵(lì)氣體，用作增益介質(zhì)。該填充了激勵(lì)氣體的空心光纖11、 12同時(shí)也用作光纖氣體激光器的放電管?？招墓饫wll、 12的另一端分 別與單模光纖耦合器2的兩臂21、 22通過(guò)固定裝置(未示出)保持一定間 隙對(duì)接，構(gòu)成光纖環(huán)形腔。空心光纖11和12之間以及空心光纖11、 12和實(shí)心光纖21、 22之間的 連接部處分別設(shè)有儲(chǔ)氣室31、 32和33。各個(gè)連接部分別設(shè)置在儲(chǔ)氣室31、 32和33中，空心光纖ll、 12內(nèi)部的激勵(lì)氣體和儲(chǔ)氣室3K 32、 33內(nèi)部存 儲(chǔ)的相同氣體連通。儲(chǔ)氣室31、 32、 33的容積比空心光纖11、 12的纖芯內(nèi) 部的容積大的多，用于當(dāng)空心光纖11、 12纖芯中的氦氖氣體受到激勵(lì)源的 激勵(lì)，壓力發(fā)生變化時(shí)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，以保持空心光纖11、 12內(nèi)部氦 氖氣體的氣壓穩(wěn)定。為了保持空心光纖ll、 12纖芯中的氣體與儲(chǔ)氣室3K 32、 33中的氣體 連通，本實(shí)施例中，使對(duì)接的空心光纖之間以及實(shí)心光纖21、 22和空心光 纖ll、 12之間保持很小的間隙A、 B、 C，間隙A、 B、 C的尺寸小于或等于 空心光纖纖芯的直徑。間隙A、 B、 C可以作為氣體通道，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣室31、 32、 33和空心光纖11、 12纖芯內(nèi)的氣體流通。本實(shí)施例中，設(shè)置多個(gè)儲(chǔ)氣 室31、 32、 33以及將儲(chǔ)氣室32、 33設(shè)置為相對(duì)于儲(chǔ)氣室31對(duì)稱(chēng)，有助于 確保纖芯內(nèi)部氣體壓力的平衡和消除朗繆爾流動(dòng)效應(yīng)的影響。直流放電激勵(lì)裝置包括陰極41和陽(yáng)極42、 43。由于空心光纖ll、 12的 纖芯尺寸很小，不能像傳統(tǒng)的氣體激光器那樣容納電極，因此陰極41設(shè)置 在位于空心光纖ll、 12之間的連接部處的儲(chǔ)氣室31內(nèi)，陽(yáng)極42、 43分別 設(shè)置于空心光纖11、 12和實(shí)心光纖21、 22之間的連接部處的儲(chǔ)氣室32和 33內(nèi)。單模光纖耦合器2是實(shí)心光纖21、 22制成的單模光纖定向耦合器(SMF 耦合器)，用以和空心光纖11、 12對(duì)接，篩選出反向傳播的光束。單模光 纖耦合器2的耦合比很小，例如可以是l: 99。實(shí)心光纖2K 22和空心光纖 11、12的連接會(huì)出現(xiàn)連接損耗和回波反射，但是由于空心光纖氣體增益管(放 電管)具有相當(dāng)大的放大倍數(shù)，這種連接損耗不會(huì)對(duì)包括空心光纖11、 12 的光纖氣體激光器的效果造成實(shí)質(zhì)性影響。同時(shí)也可以利用現(xiàn)有光纖連接技 術(shù)對(duì)連接處進(jìn)行處理，以減小這種連接損耗與反射。例如，可使耦合器兩臂的實(shí)心光纖21、 22和空心光纖11、 12保持一定的角度互相連接，從而減少反射回光纖中的光。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光纖氣體激光器。根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光纖氣體激光器包括電激勵(lì)源、光學(xué)共振腔、 以及激勵(lì)氣體。光學(xué)共振腔是將空心光纖1和單模光纖耦合器2兩臂的實(shí)心 光纖21、 22利用現(xiàn)有低損耗連接技術(shù)連接而成的光纖環(huán)形腔。空心光纖1 的中空部分充滿(mǎn)激勵(lì)氣體，作為增益管(放電管)。激勵(lì)源是射頻放電激勵(lì)裝置。具體的，空心光纖1構(gòu)成光纖氣體激光器的增益管，空心光纖1的纖芯 中填充氦氖激勵(lì)氣體，用作增益介質(zhì)。該填充了激勵(lì)氣體的空心光纖l同時(shí) 也用作光纖氣體激光器的放電管?？招墓饫w1的兩端分別與作為單模光纖耦 合器2的兩臂的實(shí)心光纖21、 22之間無(wú)間隙連接，例如，可以熔接或膠接， 以構(gòu)成光纖環(huán)形腔并確保光纖環(huán)中不存在運(yùn)動(dòng)部分?？招墓饫w1的中間位置設(shè)有儲(chǔ)氣室31，靠近空心光纖1和實(shí)心光纖21、 22的連接部的位置分別設(shè)有儲(chǔ)氣室32和33。位于儲(chǔ)氣室31、 32和33中的 空心光纖1的側(cè)壁上開(kāi)設(shè)小孔(未顯示)，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣室31、 32和33中氣 體和纖芯內(nèi)氣體的連通。單模光纖耦合器2的結(jié)構(gòu)和第一實(shí)施例相同。射頻放電激勵(lì)裝置包括射頻發(fā)射源45,以及巻繞著空心光纖1的兩個(gè)感 應(yīng)線(xiàn)圈44，如此布置的感應(yīng)線(xiàn)圈44用作傳遞射頻能量的方式。盡管圖中只 顯示了兩個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈44，很容易理解的是，感應(yīng)線(xiàn)圈44也可以是一個(gè)或多個(gè)。激勵(lì)源也可以采用電容耦合射頻放電裝置，即采用一對(duì)或多對(duì)電極板將 空心光纖1夾在中間。激勵(lì)源還可以采用直流放電激勵(lì)和射頻放電激勵(lì)相結(jié)合的方式。 如上所述，第一、二實(shí)施例中的光纖型環(huán)形激光陀螺儀均采用了空心光 纖的纖芯構(gòu)成氣體激光器的增益管(放電管)。空心光纖可以有很多種類(lèi)， 包括低損耗的毛細(xì)導(dǎo)光管、空心布拉格光纖、空心菲涅爾光纖和空心光子帶隙光纖。圖5a、 5b、 5c、 5d示出了幾種空心光子帶隙光纖的截面圖示例?？? 心光子帶隙光纖可以通過(guò)將石英毛細(xì)管周期性地疊放成密集堆積的六角形點(diǎn)陣配列，去除7個(gè)，19個(gè)或更多的中心毛細(xì)管制成?，F(xiàn)有空心光纖的損耗 已經(jīng)很小，小于0.5dB/m。因此較容易實(shí)現(xiàn)低損耗環(huán)形腔，只要氦氖放大器 提供適當(dāng)?shù)脑鲆?，就可以產(chǎn)生激光。從上述對(duì)第一、二實(shí)施例的描述中可見(jiàn)，向纖芯中填充氦氖混合氣體， 該光纖即可用作工作波長(zhǎng)為0.6328m微米或1.15微米的放大器，從而構(gòu)成波 導(dǎo)氦氖激光器。空芯光纖的纖芯尺寸在5um到200um之間，均可用于上 述第一和第二實(shí)施例中。通過(guò)調(diào)制適當(dāng)?shù)暮つ驶旌蠚獾谋壤?、混合氣體總氣 壓、放電構(gòu)型等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)1 10dB/m的增益。甚至當(dāng)將空心光纖繞成 直徑僅有幾厘米的環(huán)路時(shí)，空心光纖的損耗沒(méi)有明顯的降低。由此，可以制 成結(jié)構(gòu)緊湊的激光器，進(jìn)而制成結(jié)構(gòu)緊湊的光纖型環(huán)形激光陀螺儀。以本發(fā)明第一、二實(shí)施例的光纖氣體激光器作為主體，制成根據(jù)本發(fā)明 的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，這樣的光纖型環(huán)形激光陀螺儀具有制作簡(jiǎn)單、體 積小，尺寸可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，而檢測(cè)精度卻仍可達(dá)到常規(guī)的RLG的程度。如圖6所示，本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀還包括拍頻讀取系統(tǒng)。該 系統(tǒng)包括3X3耦合器5以及三個(gè)光探測(cè)器D1、 D2、 D3，光探測(cè)器D1、 D2、 D3分別和3X3耦合器5的三個(gè)輸出部分相連，其中3X3耦合器5的分光 比相等。光探測(cè)器D1、 D2和D3產(chǎn)生三相位電子信號(hào)，該信號(hào)的頻率等于 兩束輸入光的頻率差A(yù)f二fcw—fccw，由此可以讀取拍頻。通過(guò)利用三相位 信號(hào)替代單相位信號(hào)，可以測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)的極性?；蛘?，還可以和常規(guī)RLG — 樣，通過(guò)使兩束激光保持一個(gè)小角度干涉產(chǎn)生移動(dòng)的干涉條紋來(lái)讀取頻率 差；通過(guò)測(cè)定條紋的移動(dòng)，可以測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)的極性和速率。和常規(guī)RLG —樣，還需要對(duì)本發(fā)明的激光器的光學(xué)共振腔長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào) 節(jié)，以將激光的平均頻率(fcw+fccw) /2穩(wěn)定在最大增益處。因此，本實(shí)施 例中的光纖型環(huán)形激光陀螺儀還包括穩(wěn)頻裝置或者稱(chēng)為共振腔長(zhǎng)度控制裝 置。如圖7所示，本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀還包括共振腔長(zhǎng)度控制裝 置，該共振腔長(zhǎng)度控制裝置包括光纖調(diào)制器、光纖補(bǔ)償器和反饋控制器。光纖調(diào)制器和光纖補(bǔ)償器可以是分別巻繞著光纖的兩個(gè)壓電陶瓷元件； 通過(guò)外加電壓使壓電元件尺寸發(fā)生變化，從而引起單模光纖或者空心光纖的
長(zhǎng)度和折射率發(fā)生變化，以改變光程或相位。將小抖動(dòng)信號(hào)(如頻率為30kHz 的正弦交流信號(hào))加到光纖調(diào)制器上，可以調(diào)制兩束反向輸出激光的強(qiáng)度， 用相敏檢波器解調(diào)，以提供誤差信號(hào)去驅(qū)動(dòng)光纖補(bǔ)償器，控制共振腔的長(zhǎng)度， 以達(dá)到穩(wěn)頻效果。光纖調(diào)制器和光纖補(bǔ)償器也可以是巻繞著光纖的同一壓電 元件，抖動(dòng)信號(hào)和誤差補(bǔ)償信號(hào)可以加到該同一個(gè)壓電陶瓷元件上。本實(shí)施 例中，光纖調(diào)制器和光纖補(bǔ)償器即是巻繞著光纖的同一壓電元件6，壓電元 件6和反饋控制器61連接。本發(fā)明中采用填充氦氖混合氣的空心光纖形成光波導(dǎo)和放電管，放大效 果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于制造。對(duì)這樣的光纖型環(huán)形激光陀螺儀的散粒噪音引起的性能極限進(jìn)行的初 步理論評(píng)估顯示該散粒噪音性能極限與干涉型光纖陀螺儀和常規(guī)RLG相 似。但是，本發(fā)明的光纖型環(huán)形激光陀螺儀既不需要長(zhǎng)光纖，也不需要高質(zhì) 量的鏡子，實(shí)現(xiàn)了成本的降低。光纖環(huán)的長(zhǎng)度可以在保持陀螺儀整體尺寸小 的情況下根據(jù)性能需要在一定范圍內(nèi)改變，具有一定的尺寸可調(diào)性。本發(fā)明中具有上述激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀成本低廉、性能廣 泛，可以用于自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器人應(yīng)用、地質(zhì)探測(cè)、導(dǎo)彈穩(wěn)定性、油井鉆 孔、戰(zhàn)術(shù)武器導(dǎo)向、火箭導(dǎo)航系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1.一種光纖氣體激光器，包括激勵(lì)氣體、光學(xué)共振腔和激勵(lì)源，其特征在于，該光學(xué)共振腔由空心光纖和單模光纖耦合器構(gòu)成，所述單模光纖耦合器兩臂為實(shí)心光纖，所述兩臂分別和所述空心光纖的兩端相連接，所述空心光纖的纖芯中充滿(mǎn)作為增益介質(zhì)的激勵(lì)氣體。
2. 權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，所述空心光纖的纖芯直徑為5 200 y m。
3. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，所述空心光纖是毛細(xì)導(dǎo)光管、空心布拉格光纖、空心菲涅爾光纖或空心光子 帶隙光纖。
4. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該激勵(lì)氣體為氦氖混合氣。
5. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該光纖氣體激光器還包括儲(chǔ)氣室，所述儲(chǔ)氣室環(huán)繞所述空心光纖設(shè)置，所述空心光纖的處于所述儲(chǔ)氣室中的部分開(kāi)設(shè)有氣孔，以連通所述纖芯和所述儲(chǔ)氣室。
6. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該光纖氣體激光器還包括儲(chǔ)氣室，所述空心光纖和所述實(shí)心光纖的連接部處留有尺寸小于或等于所述纖芯直徑的間隙，所述儲(chǔ)氣室環(huán)繞所述連接 部設(shè)置，所述間隙連通所述纖芯和所述儲(chǔ)氣室。
7. 如權(quán)利要求6所述的光纖氣體激光器，其特征在于，所述空芯光纖由兩段連接而成，所述空心光纖的連接部處留有尺寸小于或等于所述纖芯直徑的間隙，所述連接部處設(shè)置有儲(chǔ)氣室，所述間隙連通 所述纖芯和所述儲(chǔ)氣室。
8. 如權(quán)利要求5、 6或7所述的光纖氣體激光器，其特征在于， 該激勵(lì)源是直流放電激勵(lì)裝置，包括設(shè)置于所述儲(chǔ)氣室內(nèi)的陰極和陽(yáng)極。
9. 如權(quán)利要求8所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該激勵(lì)源還包括與該直流放電激勵(lì)裝置結(jié)合的射頻放電激勵(lì)裝置。
10. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該激勵(lì)源是射頻激勵(lì)裝置，包括射頻發(fā)射源以及巻繞在所述空心光纖上的至 少一個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈。
11. 如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器，其特征在于，該激勵(lì) 源是電容耦合射頻激勵(lì)裝置，包括至少一對(duì)將所述空心光纖夾在中間 的平板電極。
12. —種光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于，該光纖型環(huán)形激 光陀螺儀包括如權(quán)利要求1所述的光纖氣體激光器。
13. 如權(quán)利要求12所述的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于， 該光纖型環(huán)形激光陀螺儀還包括由光纖調(diào)制器，反饋控制器和光纖補(bǔ) 償器構(gòu)成的共振腔長(zhǎng)度控制裝置。
14. 如權(quán)利要求13所述的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于， 該光纖調(diào)制器和該光纖補(bǔ)償器是巻繞著光纖的同一壓電陶瓷元件。
15. 如權(quán)利要求13所述的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于， 該光纖調(diào)制器和該光纖補(bǔ)償器分別是巻繞著光纖的不同壓電陶瓷元 件。
16. 如權(quán)利要求12所述的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于， 該光纖型環(huán)形激光陀螺儀還包括拍頻數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)。
17. 如權(quán)利要求16所述的光纖型環(huán)形激光陀螺儀，其特征在于， 該拍頻讀取系統(tǒng)包括3x3耦合器以及和該耦合器的三個(gè)輸出端連接 的三個(gè)光探測(cè)器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種光纖氣體激光器和具有該激光器的光纖型環(huán)形激光陀螺儀。該光纖氣體激光器包括激勵(lì)氣體、光學(xué)共振腔和激勵(lì)源，其特征在于，該光學(xué)共振腔由空心光纖和單模光纖耦合器構(gòu)成，所述單模光纖耦合器兩臂為實(shí)心光纖，所述兩臂分別和所述空心光纖的兩端相連接，所述空心光纖的纖芯中充滿(mǎn)作為增益介質(zhì)的激勵(lì)氣體；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，尺寸可調(diào)，放大性能好。由此氣體激光器制成的光纖型環(huán)形激光陀螺儀可以應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)、汽車(chē)導(dǎo)向系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01S3/067GK101165977SQ20061013564
公開(kāi)日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者鑫 石, 偉 靳 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)