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      通過聲光裝置穩(wěn)定的固態(tài)激光陀螺儀的制作方法

      文檔序號:6085001閱讀:193來源:國知局
      專利名稱:通過聲光裝置穩(wěn)定的固態(tài)激光陀螺儀的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明的領(lǐng)域是用于對轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行測量的固態(tài)激光陀螺儀的領(lǐng)域。這種類型的裝置被特別用于航空應(yīng)用。
      背景技術(shù)
      三十多年前被開發(fā)出的固態(tài)激光陀螺儀目前得到廣泛、大規(guī)模地使用。其工作原理是基于薩格奈克效應(yīng)(Sagnac effect),其包括被稱為逆向傳播模式的在經(jīng)歷轉(zhuǎn)動的雙向激光環(huán)形腔(bidirectional laserring cavity)的相反方向上傳播的兩個光學(xué)傳輸模式之間的頻率差Δv。通常,該頻率差Δv等于Δv=4AΩ/λL其中L和A分別是腔體的長度和面積;λ是不把薩格奈克效應(yīng)包括在內(nèi)的激光發(fā)射波長;以及,Ω是組件的轉(zhuǎn)動速度。
      通過兩束被發(fā)射光束的拍頻(beat)的頻譜分析進(jìn)行測量的Δv的值被用于對Ω的值進(jìn)行非常精確地確定。
      此外,還已經(jīng)表明,激光陀螺儀只有在高于一定的轉(zhuǎn)動速度時(shí)才能正確地工作,該轉(zhuǎn)動速度被需要用于減少相互耦合(intermodalcoupling)的影響。比此界限低的轉(zhuǎn)動速度范圍通常被稱為盲區(qū)。
      用于觀察拍頻、并因此用于激光陀螺儀的工作的條件是在兩個方向上所發(fā)射的強(qiáng)度的穩(wěn)定性和相對的相等性。由于相互競爭(intermodalcompetition)現(xiàn)象,這不是一件容易達(dá)到的事情,該現(xiàn)象意味著兩個逆向傳播模式之一可能具有獨(dú)占可利用的增益(gain)的趨勢,導(dǎo)致?lián)p害另一模式。
      通過通常工作在室溫下的氦/氖混合物的氣體放大媒介(medium)的使用,這個問題在標(biāo)準(zhǔn)的激光陀螺儀中得到解決。由于原子的熱激發(fā)(thermal agitation),氣體混合物的增益腔呈現(xiàn)多普勒加寬(Dopplerbroadening)。因此,能夠把增益?zhèn)鬟f給給定的頻率模式的原子只是那些其速度包括在躍遷頻率(transition frequency)中的多普勒移動(Doppler shift)的原子,該躍遷頻率使原子與正在討論的模式發(fā)生共振。促使激光發(fā)射不發(fā)生在增益腔的中心(通過對光路長度進(jìn)行壓電調(diào)節(jié))保證了與腔體發(fā)生共振的原子具有非零速度。因此,在一個或兩個方向上能夠?qū)υ鲆孀鞒鲐暙I(xiàn)的原子與那些在相反的方向上能夠?qū)υ鲆孀鞒鲐暙I(xiàn)的原子具有相反的速度。因此,該系統(tǒng)如同具有兩個獨(dú)立的放大媒介那樣工作,每個放大媒介用于一個方向。由于相互競爭已經(jīng)因此消失,所以,產(chǎn)生了穩(wěn)定和平衡的雙向發(fā)射(特別是,為了減輕其他問題,包括兩種不同的氖同位素的混合物被使用)。
      不過,放大媒介的氣體性質(zhì)(gaseous nature)是生產(chǎn)激光陀螺儀時(shí)技術(shù)復(fù)雜的根源(尤其是因?yàn)樗枰母叩臍怏w純度),以及在使用期間過早損耗的根源(氣體泄露,電極的損壞,用于建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的高電壓,等。)。
      目前,有可能使用例如基于摻雜釹的YAG(釔鋁石榴石)晶體而不是氦/氖氣體混合物的放大媒介,生產(chǎn)出工作在可視或近紅外中的固態(tài)激光陀螺儀,于是,光學(xué)泵浦通過工作在近紅外中的激光二極管被提供。還有可能把半導(dǎo)體材料、晶體基體(matrix)或摻雜有屬于稀土類(鉺、鐿等)的離子的玻璃用作放大媒介。因此,放大媒介的氣體狀態(tài)所固有的所有問題被實(shí)際消除。不過,由于包括非常強(qiáng)的相互競爭的固態(tài)媒介的增益腔的加寬(broadening)具有均勻特性(homogeneous character),以及,由于存在大量不同的工作狀態(tài),其中,被稱為“拍頻狀態(tài)(beat regime)”的強(qiáng)度-平衡的雙向狀態(tài)是一種非常不穩(wěn)定的特殊情況,所以這種結(jié)構(gòu)很難被制造出(N.Kravtsov andE.Lariotsev,“Self-modulation oscillations and relaxations processes insolid-state ring lasers”,Quantum Electronics24(10),841-856(1994))。這個主要的物理上的障礙已經(jīng)大大限制了迄今為止的固態(tài)激光陀螺儀的發(fā)展。
      為了減輕這個缺點(diǎn),一種技術(shù)解決方案包括根據(jù)光學(xué)模式的傳播方向及其強(qiáng)度,通過在腔體中引入光的損耗,而在固態(tài)環(huán)形激光器中削弱逆向傳播模式之間的競爭效果。其原理是根據(jù)兩個傳輸模式之間強(qiáng)度的不同,通過反饋裝置對這些損耗進(jìn)行調(diào)節(jié),以便對較弱的模式進(jìn)行支持,同時(shí)削弱另一個模式,從而不斷地對兩個逆向傳播模式的強(qiáng)度進(jìn)行自動控制,使達(dá)到相同的值。
      在1984年,一種反饋裝置被提出,其中,損耗借助于一種光學(xué)組件而被獲得,該光學(xué)組件必須包括呈現(xiàn)多種法拉第效應(yīng)的元件和偏振元件(A.V.Dotsenko and E.G.Lariontsev,“Use of a feedback circuit for theimprovement of the characteristics of a solid-state ring laser”,SovietJournal of Quantum Electronics14(1),117-118(1984)and A.V.Dotsenko,L.S.Komienko,N.V.Kravtsov,E.G.Lariontsev,O.E.Nanii and A.N.Shelaev,“Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in asolid-state ring laser”,Soviet Journal of Quantum Electronics16(1),58-63(1986))。
      這種反饋裝置的原理在圖1中被示出。其包括引入到環(huán)形腔體1中的包括三個反射鏡11、12、13和放大媒介19,安置在逆向傳播光學(xué)模式5和逆向傳播光學(xué)模式6的通路上的光學(xué)組件,所述組件包括偏振元件7和纏有感應(yīng)線圈73、呈現(xiàn)法拉第效應(yīng)的光學(xué)導(dǎo)桿(optical pad)72。在腔體1的輸出處,兩個光學(xué)模式5和6被送到用于測量的光電二極管3。光束5和光束6的一部分借助兩個半反射板43被分開,并被送到兩個光電檢測器42。由這兩個光電檢測器輸出的信號代表了這兩個逆向傳播的光學(xué)模式5和6的光強(qiáng)。所述信號被送到電反饋模塊4,其產(chǎn)生與兩個光學(xué)模式之間的光強(qiáng)差成比例的電流。此電流對在每個逆向傳播的模式5和6處所經(jīng)受的損耗的值進(jìn)行確定。如果一束光比另一束光具有較高的光強(qiáng),其強(qiáng)度將被更多地減弱,從而使輸出光束具有相同的強(qiáng)度水平。因此,雙向狀態(tài)是強(qiáng)度穩(wěn)定的。
      只有當(dāng)反饋裝置的參數(shù)與系統(tǒng)的動力學(xué)相匹配時(shí),固態(tài)激光陀螺儀才能夠根據(jù)該原理進(jìn)行工作。為了反饋裝置能夠給出正確的結(jié)果,必須滿足三個條件·通過反饋裝置引入到腔體內(nèi)的額外的損耗必須與腔體內(nèi)的固有損耗具有相同階的量級;·反饋裝置的反應(yīng)速度必須比被發(fā)射的模式的強(qiáng)度的變化速度更快,從而使反饋工作得令人滿意;以及·最后,反饋裝置的反饋強(qiáng)度對于在腔體中所引起的效果必須是足夠的,以便對強(qiáng)度變化進(jìn)行有效地補(bǔ)償。
      麥克斯韋方程被用于對逆向傳播的光學(xué)模式的區(qū)域的復(fù)數(shù)幅度E12、以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度N進(jìn)行確定。這些可以使用半常規(guī)(semi-conventional)模式而獲得(N.Kravtsov and E.Lariotsev,“Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid-state ringlasers”,Quantum Electronics24(10),841-856(1994))。
      這些方程是方程1dE1,2/dt=-(&omega;/2Q1,2)E1,2+i(m1,2/2)E2,1&PlusMinus;i(&Delta;v/2)E1,2+]]>(&sigma;/2T)(E1,2&Integral;1Ndx+E2,1&Integral;1Ne&PlusMinus;2ikxdx)]]>方程2dN/dt=W-(N/T1)-(a/T1)N|E1e-ikx+E2eikx|2]]>其中系數(shù)1和2代表兩個逆向傳播的光學(xué)模式;ω是不把薩格奈克效應(yīng)包括在內(nèi)的激光發(fā)射頻率;Q1,2是在兩個傳播方向上腔體的品質(zhì)因素;m1,2是在兩個傳播方向上腔體的反向散射系數(shù);σ是有效的激光發(fā)射橫截面;1是傳播的增益媒介的長度;T=L/C是腔體的每個模式的傳輸時(shí)間;k=2π/λ是波矢量的范數(shù);W是泵浦速度;T1是激發(fā)水平(excited level)的壽命;以及a是飽和參數(shù),其等于σT1/8πhω。
      方程1的右邊具有四項(xiàng)。第一項(xiàng)對應(yīng)于由于腔體內(nèi)的損耗而導(dǎo)致的區(qū)域中的變化,第二項(xiàng)對當(dāng)腔體內(nèi)存在散射元素時(shí),通過一個模式在另一個模式上的反向散射而導(dǎo)致的區(qū)域中的變化,第三項(xiàng)對應(yīng)于由于薩格奈克效應(yīng)而導(dǎo)致的區(qū)域中的變化,以及,第四項(xiàng)對應(yīng)于由于放大媒介的存在而導(dǎo)致的區(qū)域中的變化。第四項(xiàng)具有兩個組成部分,第一部分對應(yīng)于受激發(fā)射,以及,第二部分對應(yīng)于當(dāng)放大媒介內(nèi)存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光柵(grating)時(shí),一個模式在另一個模式上的反向散射。
      方程2的右邊具有三項(xiàng),第一項(xiàng)對應(yīng)于由于光學(xué)泵浦而導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度的變化,第二項(xiàng)對應(yīng)于由于受激發(fā)射而導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度的變化,以及,第三項(xiàng)對應(yīng)于由于自然發(fā)射而導(dǎo)致的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度的變化。
      因此,根據(jù)方程1右邊的第一項(xiàng),在光學(xué)模式的完全轉(zhuǎn)動(completerotation)之后,由于腔體而導(dǎo)致的平均損耗PC因此是pC=ωT/2Q1,2通過反饋裝置PF被引入的損耗與這些平均損耗PC必須具有相同階的量級。通常,這些損耗具有百分之一的階。
      反饋裝置的反應(yīng)速度可以由所述反饋裝置的帶寬γ進(jìn)行表征。已經(jīng)表明(A.V.Dotsenko and E.G.Lariontsev,“Use of a feedback circuit forthe improvement of the characteristics of a solid-state ring laser”,SovietJournal of Quantum Electronics14(1),117-118(1984)and A.V.Dotsenko,L.S.Komienko,N.V.Kravtsov,E.G.Lariontsev,O.E.Nanii and A.N.Shelaev,“Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in asolid-state ring laser”,Soviet Journal of Quantum Electronics16(1),58-63(1986)),利用方程1和方程2,用于建立高于轉(zhuǎn)動速度的穩(wěn)定的雙向狀態(tài)的充分條件能夠被寫成γ>>ηω/[Q1,2(ΔvT1)2]其中η=(W-Wthreshold)/W和η對應(yīng)于高于閥值Wthreshold的相對泵浦速度。
      給出一個例子,對于相對的泵浦速度η為10%,光學(xué)頻率ω為18×1014,品質(zhì)因素Q12為107,頻率差Δv為15kHz,以及,激發(fā)狀態(tài)壽命T1為0.2ms,帶寬γ必須大于40kHz。
      為了通路正確地進(jìn)行工作,下面的關(guān)系也必須被滿足(ΔvT1)2>>1通常,反饋裝置的反饋強(qiáng)度q用下面的方式進(jìn)行定義q=[(Q1-Q2)/(Q1+Q2)]/[(I2-I1)/(I2+I1)]其中,I1和I2是兩個逆向傳播模式的光強(qiáng)。
      在這種類型的應(yīng)用中,已經(jīng)顯示出,為了反饋裝置能夠正確地工作,參數(shù)q必須大于1/(ΔvT1)2。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是提出一種用于固態(tài)激光陀螺儀的穩(wěn)定裝置,其包括用于利用光波在聲波上的衍射現(xiàn)象、根據(jù)傳播方向引入光學(xué)損耗的反饋系統(tǒng)。這種解決方案比現(xiàn)有技術(shù)的裝置具有多種顯著的優(yōu)勢。由于只有單一類型的組件被加入到腔體中,并且特殊的布置允許每個逆向傳播模式的衰減被控制成幾乎獨(dú)立于另一個模式,所以易于實(shí)施。
      更確切的是,本發(fā)明的目的是一種激光陀螺儀,其至少包括包含至少三個反射鏡的光學(xué)環(huán)形腔體,固態(tài)放大媒介和反饋系統(tǒng),腔體和放大媒介使得兩個逆向傳播的光學(xué)模式能夠在所述光學(xué)腔體中在相對于彼此的相反的方向上進(jìn)行傳播,反饋系統(tǒng)使兩個逆向傳播模式的強(qiáng)度保持成幾乎相同,其特征在于,反饋系統(tǒng)至少包括在腔體內(nèi)的聲光調(diào)制器,所述調(diào)制器包括至少一個被安置在逆向傳播的光學(xué)模式的通路上的光學(xué)相互作用(interaction)媒介,以及在光學(xué)相互作用媒介中產(chǎn)生周期性聲波的壓電傳感器。


      通過對下面以非限制性的例子的方式給出的描述以及通過對附圖進(jìn)行閱讀,本發(fā)明將更好被理解,并且其他優(yōu)勢也將顯而易見,其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的反饋系統(tǒng)的工作原理;圖2示出了通過聲光調(diào)制器進(jìn)行衍射的一般原理;圖3a和3b示出了通過聲光調(diào)制器在向前和向后的傳播方向上被衍射的波的波矢量的結(jié)構(gòu);圖4a和4b示出了作為入射角的函數(shù)以及作為頻率的函數(shù)的衍射效率;圖5對兩個逆向傳播的光學(xué)模式的衍射損耗進(jìn)行比較;圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的總圖;圖7a和7b示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置的第一個和第二個可選實(shí)施例,其包括兩個聲光調(diào)制器;圖8示出了整塊的激光腔體,其包括根據(jù)本發(fā)明的裝置;以及圖9示出了現(xiàn)有裝置的可選實(shí)施例。
      具體實(shí)施例方式
      聲光調(diào)制器2基本上包括被安置成緊靠相互作用媒介21的壓電塊22,相互作用媒介21對于光學(xué)輻射是可透過的,如圖2所示。壓電塊產(chǎn)生能夠?qū)ο嗷プ饔妹浇榈臋C(jī)械和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行改變的超聲波。更確切地說,光學(xué)系數(shù)的周期性調(diào)制在媒介中被產(chǎn)生,因此,媒介可以如同光學(xué)衍射光柵那樣工作。當(dāng)光束F經(jīng)過聲光調(diào)制器2時(shí),它的一部分能量通過衍射被損耗。當(dāng)入射光束相對于聲波具有被稱為布拉格入射角的非常特殊的方向時(shí),衍射光束D的能量處于最大值。這兩個波之間的相互作用可通過光子和光子之間彈性的相互作用進(jìn)行模擬。這種相互作用涉及能量的守恒和動量的守恒。
      用于獲得衍射光束的特性的通常的關(guān)系通常通過在用于動量守恒的方程中對衍射波相對于入射波的頻率移動進(jìn)行忽略而被建立。由于該問題具有對稱性(symmetrical),因此,根據(jù)光學(xué)模式的傳播方向的損耗不能被嚴(yán)密地表示。
      如果對這種移動進(jìn)行考慮(R.Roy,P.A.Schulz and A.Walther,Opt.Lett.12,672(1987)and J.Neev and F.V.Kowalski,Opt.Lett.16,378(1991)),可以看到,用于兩個逆向傳播模式的布拉格條件是不同的。換句話說,對于兩個逆向傳播模式,衍射損耗是不同的。損耗中的這種差異較小,但是,它足以建立用于對逆向傳播的光學(xué)模式進(jìn)行控制的反饋系統(tǒng)。
      光波通常由其波矢量k、其角頻率ω以及其波長λ進(jìn)行表征。
      使入射光傳播進(jìn)入以任意方向?yàn)檎较虻慕o定方向,其由波矢量 和波長λo進(jìn)行表征,所述波具有對應(yīng)于在光學(xué)系數(shù)為n的相互作用媒介上的布拉格入射的入射角θB+,由波矢量 聲波的傳播速度VS、波長λS和角頻率ωS進(jìn)行表征的聲波在相互作用媒介中傳播。在相互作用媒介中,波因子 的衍射波在方向θd+上被構(gòu)成,如圖3a所示。因此,下面的方程可以被寫為k&RightArrow;i+=k&RightArrow;d++k&RightArrow;S]]>以及&omega;i+=&omega;d++&omega;S]]>其中ki+cn=&omega;i+,]]>kd+cn=&omega;d+]]>以及kSVS=ωSc表示光速,ki+、kd+和kS表示相關(guān)的波矢量的范數(shù)。
      通過投影到與方向 垂直的OX軸上,可以得到下面的方程ki+cos(&theta;B+)=kd+cos(&theta;d+)]]>方程1
      由于衍射波在與聲波相互作用后頻率被移動,所以ki+與kd+不同,并且因此,入射角θB+與衍射角θd+不同,如圖3a所示,這里,為了簡單起見,對這種差異進(jìn)行了相當(dāng)?shù)目浯蟆?br> 通過投影到與 相平行的OY軸上,可以得到下面的方程-ki+sin(&theta;B+)=kd+sin(&theta;d+)-kS]]>方程2對方程1和方程2進(jìn)行平方,得到ki+2cos2(&theta;B+)=kd+2cos2(&theta;d+)]]>ki+2sin2(&theta;B+)+kS2-2ki+kssin2(&theta;B+)=kd+2sin2(&theta;d+)]]>并且,接著把這兩個方程相加,得到ki+2+kS2-2ki+kssin(&theta;B+)=kd+2]]>ki+2+kS2-kd+2=2ki+kSsin(&theta;B+)]]>2ki+kSsin(&theta;B+)=ki+2-kd+2kS+kS]]>對于在相反方向上傳播的入射光,以任意方向?yàn)樨?fù)方向(圖3b),通過其波矢量 及其波長λo進(jìn)行表征,可以接著得到下面的方程k&RightArrow;i-=k&RightArrow;d--k&RightArrow;S]]>以及&omega;i-=&omega;d--&omega;S]]>其中ki-cn=&omega;i-,kd-cn=&omega;d-]]>以及kSVS=ωSki-cos(&theta;B-)=kd-cos(&theta;d-)]]>ki-sin(&theta;B-)=-kd-sin(&theta;d-)+kS]]>使用如上的同樣方法,可以接著得到下面的方程ki-2cos2(&theta;B-)=kd-2cos2(&theta;d-)]]>ki-sin(&theta;B-)=-kd-sin(&theta;d-)+kS]]>ki-2sin2(&theta;B-)+kS2-2ki-kSsin2(&theta;B-)=kd-2sin2(&theta;d-)]]>其給出了用于逆向傳播的波的等價(jià)方程2ki-sin(&theta;B-)=ki-2-kd-2kS+kS]]>這兩個方程還可以被寫成下面的簡化形式2ki&PlusMinus;sin(&theta;B&PlusMinus;)=kS+ki&PlusMinus;2-kd&PlusMinus;2kS]]>因此,布拉格入射角之間的差異給出為ki+sin(&theta;B+)-ki-sin(&theta;B-)=ki+2-ki-2+kd-2-kd+22kS]]>方程3
      由于衍射波具有與入射波不同的頻率,所以對于衍射為極大的兩個方向不相同。因此,這里存在非互逆(nonreciprocal)的效果,其允許引起有差別的損耗。
      當(dāng)薩格奈克效應(yīng)存在時(shí),兩個逆向傳播的波具有相似的頻率,并因此可以寫成ki+&ap;ki-&equiv;ki,]]>從而上面的方程可以被寫成sin(&theta;B+)-sin(&theta;B-)&ap;kd-2-kd+22kSki]]>方程4該方程可以根據(jù)調(diào)制器是否是各向同性的而進(jìn)行不同地表達(dá)。
      如果調(diào)制器是各向同性的,具有系數(shù)n,則·所討論的角度比較??;·能量的守恒給出為&omega;i+=&omega;d++&omega;S]]>其中ki+cn=&omega;i+,kd+cn=&omega;d+]]>以及kSVS=ωS即kd+=ki-ncVSkS]]> 其中ki-cn=&omega;i-,kd-cn=&omega;d-]]>以及kSVS=ωS即kd-=ki+ncVSkS]]>·所述的頻率是相似的,從而當(dāng)它們的差異不出現(xiàn)時(shí)它們可以成為相同的。因此kd-&ap;kd+&ap;ki+&ap;ki+]]>因此,方程4能夠被寫成&theta;B+-&theta;B-&ap;(kd--kd+)(kd-+kd+)2kSki&ap;2ki(kd--kd+)2kSki=kd--kd+kS]]>&theta;B+-&theta;B-=2ncVSkSkS2nVSc]]>因此,沿著傳播方向、對于衍射為極大的方向之間的差異取決于調(diào)制器中聲波的速度與光速的比率。因此2ki+sin(&theta;B+)=(ki+-kd+)(ki++kd+)kS+kS]]>sin(&theta;B+)=kS2ki++(ki+-kd+)kS=kS2ki++ncvS=kS2ki++12(&theta;B+-&theta;B-)]]>sin&theta;B=kS2ki+=12(&theta;B++&theta;B-),]]>
      和同樣的。
      因此,通常的布拉格入射角&theta;B=kS2ki+=12(&theta;B++&theta;B-),]]>對應(yīng)于在θB+和θB-之間中間位置的入射角。
      在各向異性的調(diào)制器的情況下,方程1、2和4仍然是有效的。不過,該角度不必要是較小的,并且用于能量的守恒的方程是不同的。
      給出一個例子,對于普通的光學(xué)系數(shù)no和特別的光學(xué)系數(shù)ne的單軸晶體,并且在聲波和兩個入射波沿著系數(shù)為ne的特殊軸被偏振、以及衍射波沿著系數(shù)為no的普通軸被線性偏振的情況下,能量的守恒給出為&omega;i+=&omega;d++&omega;S]]>其中ki+cne=&omega;i+,kd+cno=&omega;d+]]>以及kSVS=ωS這會給出cnokd+=cneki-VSkS]]>kd+=noneki-nocVSkS]]>&omega;i-=&omega;d--&omega;S]]>其中ki-cn=&omega;i-,kd-cn=&omega;d-]]>以及kSVS=ωS這會給出cnokd-=cneki+VSkS]]>kd-=noneki+nocVSkS]]>因此,方程4可以被重寫為sin(&theta;B+)-sin(&theta;B-)&ap;(kd--kd+)(kd-+kd+)2kSki&ap;2kinone(kd--kd+)2kSki=2n02neVSc]]>因此,調(diào)制器如同雙折射單軸材料那樣工作,對于衍射為極大的入射角是不同的,并且,其由普通的和特殊的系數(shù)決定。當(dāng)在各向同性的材料的情況下,這種差異是在波的傳播方向上不相同的損耗的來源。
      只有當(dāng)單一的聲的聲子涉及到彈性的光子/聲子散射時(shí),上面的方程才被建立,用于第一級衍射。不過,還可能使用涉及多個聲子的彈性的散射建立等價(jià)方程。
      在各向異性的或雙折射的媒介中共線的相互作用(collinearinteraction)的特殊情況下,也就是說,在不同的波矢量都具有相同方向的情況下,有可能對逆向傳播的波的頻率的變化進(jìn)行計(jì)算。
      給出一個例子,在各向異性的調(diào)制器的情況下,對于沿著作為比普通系數(shù)no小的系數(shù)為ne的特殊軸被偏振的一個聲波和兩個入射波、以及沿著系數(shù)為no的普通軸被線性偏振的衍射波,于是,能量的守恒和動量的守恒給出為k&RightArrow;i-=k&RightArrow;d--k&RightArrow;S&omega;i-=&omega;d--&omega;S]]>其中k&RightArrow;i-=-ki-|10k&RightArrow;d-=-kd-|10]]>以及k&RightArrow;S=ks|01]]>矢量在圖3a和3b中所示出的命名系統(tǒng)(sentence system)中被參照。對于在相反方向上傳播的波,這導(dǎo)致ki+=kd++kscneki+=cnokd++VSkS]]>即cndki+=cno(ki+-kS)+VSkSc(1no-1ne)ki+=cnokS(1-noVSc)]]>ki+=1-noVSc1-nonekS]]>方程5在相反方向上傳播的波的情況給出為k&RightArrow;i-=k&RightArrow;d--k&RightArrow;S&omega;i-=&omega;d--&omega;S]]>其中k&RightArrow;i-=-ki-|10,k&RightArrow;d-=-kd-|10]]>以及k&RightArrow;S=kS|01]]>并且因此
      -ki-=-kd--kScneki-=cnokd--VSkS]]>即cneki-=cno(ki--kS)-VSkSc(1ne-1no)ki-=-cnokS(1+noVSc)]]>ki-=1+noVSc1-nonrkS]]>方程6由于在兩個方向上的頻率是不同的,因此,這里又存在非互逆的效果。
      對于把損耗Ld+和Ld-作為入射角的函數(shù)的表達(dá)式,其中,入射角通過強(qiáng)度為IA的聲波被引入,聲波在調(diào)制器內(nèi)在長度1上與在向前(正向)方向上和在相反(負(fù)向)方向上傳播的光波相互作用,該表達(dá)式通過下式給出L&PlusMinus;=sin2(&beta;1)sinc2(&beta;11+(&pi;&beta;&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))2)&ap;&beta;212sinc2(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))]]>這里sinc(A)是函數(shù)A的標(biāo)準(zhǔn)正弦,以及,&beta;=&pi;&lambda;M1A2,]]>這里M是品質(zhì)因素。因此M=n6p2&rho;VS3]]>(其中p是光彈性系數(shù),以及,ρ是光學(xué)相互作用材料的密度),假設(shè)&pi;&beta;&lambda;S(&theta;i-&theta;B+)>>1,]]>并且聲功率保持為低,這有時(shí)是希望的應(yīng)用中的情況。
      圖4a示出了損耗L±作為入射角θ±的函數(shù)的一般形式。損耗對于布拉格入射角為θd±是最大的。在中間高度Δθ1/2處的整個寬度通過下面的方程給出&Delta;&theta;1/2=0.89&lambda;S/1]]>L-具有與L+相同的形式,但是其在入射角的方面是偏移(offset)的。
      根據(jù)本發(fā)明的裝置的工作原理基于這種效果。在給定的入射角處,在傳播的光學(xué)模式的轉(zhuǎn)動方向上損耗因此是不同的。通過改變?nèi)肷浣?,損耗具有不同的改變,因此,允許模式的強(qiáng)度被自動控制到公共值。有可能在傳播方向上產(chǎn)生不同的損耗,所產(chǎn)生的損耗越大,腔體偏移得越多。
      損耗ΔL=L+-L-中的歸一化差值(normalized difference)由下式給出L+-L-&beta;212=L+-L-LMax=sinc2(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))-sinc2(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B-))]]>由于角度θB+和θB-接近于θB,所以被限制于第一階的展開式給出為sinc2(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))&ap;sinc2(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B))+dd&theta;B&PlusMinus;(sin(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;)))&theta;B&PlusMinus;=&theta;B(&theta;B-&theta;B&PlusMinus;)]]>即L+-L-LMax&ap;dd&theta;B&PlusMinus;(sin(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B&PlusMinus;))&theta;B&PlusMinus;=&theta;B(&theta;B--&theta;B+)]]>由于dd&theta;i(sin(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))=2&pi;1&lambda;S(cos(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))sin(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+)(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))2)sinc(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))]]>=2(cos(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))-sinc(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+)))sinc(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B+))1&theta;i-&theta;B+]]>于是&Delta;LLMax&ap;2sinc(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B))(sinc(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B)))-cos(&pi;1&lambda;S(&theta;i-&theta;B))&theta;B+-&theta;B-&theta;i-&theta;B]]>該差異對于θi-θB=±0.415λS/1是最大的,并且因此&Delta;LLMax&ap;1.71&lambda;S(&theta;B+-&theta;B-)]]>(W.A.Clarkson,A.B.Neilson and D.C.Hanna,“Explanation of themechanism for acousto-optically induced unidirectional operation of a ringlaser”,Opt.Lett,17,601(1992);W.A.Clarkson,A.B.Neilson and D.C.Hanna,“Unidirectional operation of a ring laser via the acoustooptic effect”,IEEE J.Q.E32,311(1996))。
      在損耗L±的中間高度處的整個寬度是&Delta;&theta;1/2=0.89&lambda;S/1=0.89VS/1fS]]>入射角θB+和θB-之間的差異ΔθB與Δθ1/2的比率越大,系統(tǒng)將會越敏感。因此&Delta;&theta;B&Delta;&theta;1/2=1nVsc0.89Vs1fs=n1fs0.44c]]>最佳的調(diào)制器工作于最高可能的頻率,并具有最大可能的相互作用長度。由于其通常呈現(xiàn)相當(dāng)大的散射,所以,能夠增大該比率的高-系數(shù)材料需根據(jù)個案而進(jìn)行考慮。
      還可能通過對由壓電模塊產(chǎn)生的調(diào)制頻率f進(jìn)行改變而對聲波的波長λS進(jìn)行改變。通過與該頻率差異成比例的數(shù)量,應(yīng)用到調(diào)制器的壓電模塊的頻率的變化改變了對于衍射為極大的角度。因此,對應(yīng)用到調(diào)制器的頻率進(jìn)行改變與對調(diào)制器進(jìn)行轉(zhuǎn)動-衍射效率因此被改變-具有相同的效果。在這種情況下,對于給定的入射角度,損耗作為該調(diào)制頻率的函數(shù)而改變,如圖4b所示。因此L+&ap;&beta;212sinc2(&pi;2&lambda;1VS2fB+(f-fB+))]]>以及L-&ap;&beta;212sinc2(&pi;2&lambda;1VS2fB-(f-fB-))]]>其中fB±對應(yīng)于給出最大損耗的頻率。在該頻率處,調(diào)制器上波的入射角是布拉格入射角。
      分別對應(yīng)于角度范圍ΔθB和Δθ1/2的變化(ΔfS)B和(ΔfS)1/2通過下面的方程被關(guān)聯(lián)(&Delta;fS)2(&Delta;fS)1/2=&Delta;&theta;B&Delta;&theta;1/2=n1fS0.44c]]>如上所述,當(dāng)聲光裝置被安置在兩個逆向傳播的波的通路上時(shí),衍射損耗由于傳播的方向而改變。為了建立用于把不同的損耗引入到兩個光束的每一束中的反饋系統(tǒng),這里有根據(jù)本發(fā)明使裝置工作的兩種可能的方法。有可能對入射角進(jìn)行改變,或者對聲光裝置的頻率進(jìn)行改變。為了改變?nèi)肷浣?,需要轉(zhuǎn)動地進(jìn)行自動控制的機(jī)械裝置。與此相反,為了改變頻率,純粹的電子裝置被使用。因此,有可能通過對兩個逆向傳播模式的強(qiáng)度I+和I-之間的差異具有高的靈敏度的控制電路對應(yīng)用到調(diào)制器的頻率進(jìn)行控制,從而對較弱的波給予優(yōu)惠(preference),并因此獲得穩(wěn)定的兩個方向的發(fā)射。
      一個特別有利的情況在圖5中被示出。在這種情況下,衍射圖的寬度與fB-和fB+之間的差異相似。對應(yīng)于等于fB的應(yīng)用頻率的工作點(diǎn)被理想地設(shè)置成·損耗被最小化;以及·在該點(diǎn)處的斜率是最大的,其使靈敏度最佳,并使系統(tǒng)線性化。
      如圖5所示,任何頻率變化都大大增加了一個模式中的損耗,并減少了逆向傳播的模式中的損耗。
      當(dāng)腔體偏移得不多時(shí),反饋機(jī)構(gòu)會更加復(fù)雜以進(jìn)行實(shí)施,因?yàn)樗仨氝_(dá)到超過兩個腔體中的一個的極值,以便在損耗之間獲得充分的差異。超過極值使系統(tǒng)成為非線性的系統(tǒng)。
      應(yīng)該注意到,被應(yīng)用到調(diào)制器的信號功率是較低的,并且比需要對激光器(Q開關(guān))進(jìn)行觸發(fā)、或?qū)ν嗟墓鈱W(xué)模式進(jìn)行阻礙的功率低得多。這種裝置還具有通過更改聲波的功率,能夠易于對損耗的絕對值進(jìn)行調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。有利的是,兩個逆向傳播的波盡可能地靠近聲波從其中被產(chǎn)生的調(diào)制器的邊緣進(jìn)行傳遞,從而減少了由于聲波的傳播達(dá)到光學(xué)模式而導(dǎo)致的延遲。
      存在多種可能的實(shí)施例。
      在基于頻率反饋的第一個實(shí)施例中,激光陀螺儀由分散的組件構(gòu)成,如圖6所示。因此,腔體包括布置在環(huán)中的一套反射鏡(11,12,13和14)。在圖6中,反射鏡被布置在矩形的四個角。當(dāng)然,這種布置作為例子被給出,并且本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何其他的布置也可能是合適的。它包括放大媒介19,其可以是摻雜釹的YAG晶體,或任何其他的激光媒介。它還包括調(diào)制器2,其由反饋裝置4進(jìn)行控制,并與檢測器42相連。調(diào)制器2包括光學(xué)相互作用媒介21和壓電傳感器22。由傳感器產(chǎn)生的聲波可以是橫向波或縱向波。兩個逆向傳播的光學(xué)模式5和6在腔體中傳播。當(dāng)激光陀螺儀轉(zhuǎn)動時(shí),它們是基于薩格奈克效應(yīng)的頻率偏移。這兩個模式的一部分通過反射鏡13被傳輸,并借助于半反射板43在光敏檢測器3上被重組。由這種光檢測器輸出的信號提供了對裝置的轉(zhuǎn)動速度的測量。半反射板43把模式5和6的一部分傳輸?shù)脚c反饋裝置4相耦合的檢測器42。由兩個檢測器輸出的兩個強(qiáng)度之間的差異對反饋環(huán)進(jìn)行控制。聲光調(diào)制器被供給其頻率發(fā)生改變的信號,從而對較低強(qiáng)度的模式中的衍射損耗進(jìn)行減少,而對較高強(qiáng)度的模式中的損耗進(jìn)行增加。
      在這種布置的一個可選實(shí)施例中,有利的是,安置插入在腔體中、以便對兩個波的強(qiáng)度進(jìn)行控制的多個調(diào)制器,如圖7a和7b所示。
      當(dāng)裝置工作在高頻時(shí),這種布置是有利的。這是因?yàn)閾p耗隨頻率而增大。高于一定值,當(dāng)壓電塊必須具有增加的小的尺寸、以便在正確的頻率處產(chǎn)生聲波時(shí),光波和聲波之間的相互作用長度1減少。聲波的發(fā)散也增加,并因此對減少相互作用長度作出貢獻(xiàn)。因此,通過增加調(diào)制器的數(shù)量,相互作用長度也得到增加(圖7b)。
      一個有利的優(yōu)選實(shí)施例是這樣的,在其中,兩個壓電塊被安置在調(diào)制器的每個側(cè)面,如圖7a所示。可選的,壓電塊是偏移的,從而防止聲波彼此干擾。這種幾何形狀的優(yōu)勢在于,每個聲波對不同的波給出優(yōu)惠。在理想的情況下,其中,調(diào)制器產(chǎn)生兩個平行的聲柱(acousticcolumns),將通過每個聲波的功率對強(qiáng)度進(jìn)行控制。如果聲柱不是平行的,由于相互作用媒介的生產(chǎn)中或壓電塊被安裝的方式中的錯誤,于是,每個調(diào)制器在不同頻率處被供給信號,從而使有差別的損耗在相同或相似的聲功率處是相同的。應(yīng)用頻率被選擇成產(chǎn)生最佳的損耗,也就是說,第一個壓電塊在一個波中產(chǎn)生較高的損耗,而在在相反方向上傳播的波中產(chǎn)生較低損耗,而第二個壓電塊具有相反的效果。因此,在每個波中的損耗被分別進(jìn)行控制,反之,在只具有單一的聲光調(diào)制器的裝置中,同時(shí)對光波起作用是必須的。
      在圖8所示出的第二個實(shí)施例中,由分散的組件制成的腔體被整塊的腔體所替代,其由例如YAG(釔鋁石榴石)晶體塊進(jìn)行制造。晶體的一個刻面13作為輸出反射鏡,而其他刻面(11,12,14)進(jìn)行極好的反射,有可能對它們中的一個進(jìn)行處理,從而促成光的線性偏振。聲波可以在腔體的一個側(cè)面上被直接產(chǎn)生,例如借助壓電塊22,或通過任何其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法。
      不過,在一次完全轉(zhuǎn)動中,必須在這種類型的實(shí)施例中防止波與聲柱相互作用兩次,因?yàn)檫@將抵消有差異的損耗。在這種情況下,易于看出,兩個都與聲柱相遇兩次的波,一次在一個方向上,而第二次在另一個方向上,會經(jīng)歷相同的損耗,并且失去不可逆的效果。因此,例如借助于腔體內(nèi)的孔或多個裝置23(圖8),或借助于對聲波進(jìn)行吸收的任何其他裝置,聲波被阻礙。
      還可能把壓電塊安置在腔體的一個刻面上,如圖9所示。
      這種結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)勢是例如通過對開發(fā)用于氦氖激光陀螺儀的多面的幾何形狀進(jìn)行改變(adapting),產(chǎn)生被稱為三維激光陀螺儀的可能性,該陀螺儀對沿著三個互相垂直的軸的轉(zhuǎn)動速度具有高的靈敏度。
      權(quán)利要求
      1.一種激光陀螺儀,其至少包括包含至少三個反射鏡(11,12,13)的光學(xué)環(huán)形腔體(1),固態(tài)放大媒介(19)和反饋系統(tǒng)(4,42,43),腔體(1)和放大媒介(19)使得兩個逆向傳播的光學(xué)模式(5,6)能夠在所述光學(xué)腔體中在相對于彼此的相反的方向上進(jìn)行傳播,反饋系統(tǒng)使兩個逆向傳播模式的強(qiáng)度保持成幾乎相同,其特征在于,反饋系統(tǒng)至少包括在腔體內(nèi)的聲光調(diào)制器(2),所述調(diào)制器包括至少一個被安置在逆向傳播的光學(xué)模式的通路上的光學(xué)相互作用媒介(21),以及在光學(xué)相互作用媒介中產(chǎn)生周期性聲波的壓電傳感器(22)。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀,其特征在于,反饋系統(tǒng)包括根據(jù)兩個逆向傳播模式的強(qiáng)度,用于在可變的頻率處產(chǎn)生聲波的電裝置。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的激光陀螺儀,其特征在于,反饋系統(tǒng)包括至少第一個和第二個聲光調(diào)制器。
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光陀螺儀,其特征在于,用于產(chǎn)生第一個聲波的第一個電裝置對第一個調(diào)制器進(jìn)行控制,以及,用于產(chǎn)生第二個聲波的第二個電裝置對第二個調(diào)制器進(jìn)行控制。
      5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光陀螺儀,其特征在于,所述第一個電裝置和所述第二個電裝置產(chǎn)生不同的聲的功率水平。
      6.根據(jù)權(quán)利要求4或5中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,在第一個聲光調(diào)制器中所產(chǎn)生的聲波具有第一種頻率,以及,在第二個聲光調(diào)制器中所產(chǎn)生的聲波具有不同于第一種頻率的第二種頻率。
      7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,第一個聲光調(diào)制器和第二個聲光調(diào)制器背對背被布置在逆向傳播的光學(xué)模式的任一側(cè)上。
      8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,放大媒介(19)和光學(xué)相互作用媒介(21)是一個,并且是相同的媒介。
      9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,腔體是整塊的,被稱為逆向傳播的逆向傳播模式僅在腔體內(nèi)的固體材料中傳播。
      10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的激光陀螺儀,其特征在于,壓電傳感器被布置在整塊的腔體的一個表面上。
      11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光陀螺儀,其特征在于,所述表面也被用作反射鏡,用于逆向傳播的光學(xué)模式。
      12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,整塊的腔體包括用于對聲波進(jìn)行衰減、從而使它們僅與逆向傳播的光學(xué)模式相互作用一次的衰減裝置。
      13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的激光陀螺儀,其特征在于,所述衰減裝置是至少一個在腔體中被構(gòu)成的裝置,所述裝置位于被發(fā)射的聲波的傳播方向上。
      14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的激光陀螺儀,其特征在于,所述激光陀螺儀是三維的,并且,其對沿著三個相互垂直的軸的轉(zhuǎn)動速度具有高的靈敏度。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及固態(tài)激光陀螺儀。所述技術(shù)所固有的主要問題在于,這種類型的激光器的光學(xué)腔體本身是非常不穩(wěn)定的。根據(jù)本發(fā)明,借助于聲光裝置,根據(jù)對傳播的感知,通過把受到控制的光學(xué)損耗引入到所述腔體(1)中,所述的不穩(wěn)定性可以得到減小。利用聲光裝置的不同結(jié)構(gòu),多種裝置被公開。所述裝置特別用于具有整塊的腔體的激光器,以及,特別用于釹-YAG類型的激光器。
      文檔編號G01P3/36GK1791784SQ200480013431
      公開日2006年6月21日 申請日期2004年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月16日
      發(fā)明者G·皮格奈特, D·羅利, J-P·波楚利 申請人:泰勒斯公司
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