專利名稱：由倍頻晶體器件實(shí)現(xiàn)被動(dòng)穩(wěn)定的多振蕩器固態(tài)激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域是特別在航空領(lǐng)域用于慣性導(dǎo)航的激光陀螺儀，并且特別是固態(tài)激光陀螺儀領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前大多數(shù)可商用的激光陀螺儀包括含有氦/氖氣體混合物的微晶玻璃制作而成的腔，在這個(gè)腔中同時(shí)存在兩個(gè)反向傳播(coimterpropagating)的光波，即，在這個(gè)腔中，波以相反的方向進(jìn)行傳播。眾所周知，在這種激光器中，當(dāng)處于低轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，這兩個(gè)反向傳播的波具有相同的頻率。這種在低轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率鎖定問題或是“死區(qū)”問題通常通過機(jī)械抖動(dòng)使腔環(huán)繞其轉(zhuǎn)動(dòng)軸振動(dòng)來解決。足夠防止頻率鎖定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度因此被人為的定義出來。然而這種技術(shù)是一個(gè)不可忽視的噪聲源，這是因?yàn)閷?yīng)于每次經(jīng)過死區(qū)的隨機(jī)相位的累加的“隨機(jī)漫步(ramdom walk)”現(xiàn)象。為了消除這些缺陷，另一種激光陀螺儀已經(jīng)被發(fā)明出來。該物理結(jié)構(gòu)主要包括使四個(gè)而不是兩個(gè)波同時(shí)存在于腔中，對應(yīng)兩個(gè)正交偏振狀態(tài)和兩個(gè)反向傳播方向。在 K. Andringa的專利US 3 854 819中描述了此類設(shè)備。這類激光器，也被稱為“多振蕩器激光陀螺儀”，涉及磁光頻偏，當(dāng)一直通過適當(dāng)?shù)闹亟M存在于激光器腔中的四種模式來消除所述的磁光偏置的波動(dòng)時(shí)，可以在激光陀螺儀的整個(gè)操作范圍內(nèi)消除“死區(qū)”效應(yīng)，其中對大多數(shù)激光陀螺儀設(shè)備而言，磁光偏置不包括有太大漂移的源。當(dāng)然也可以制作具有固態(tài)放大介質(zhì)的激光陀螺儀，例如一種泵浦激光器二極管 (laser-diode-pumped)Nd:YAG 晶體。由 S. Schwartz,G. Feugnet,P. Bouyer,Ε. Lariontsev, A. Aspect 以及 J. -P. Pocholle 在Phys. Rev. Lett. 97,093902(2006)上發(fā)表的文章描述了這種激光陀螺儀。在這些設(shè)備中，模式之間的競爭不再受到多普勒效應(yīng)的平衡，正如在氦-氖氣體激光陀螺儀中的情況一樣，而是通過一個(gè)附加的穩(wěn)定設(shè)備，例如產(chǎn)生與激光器的反向傳輸模式之間的強(qiáng)度差成比例的差分損失的反饋環(huán)的使用，這被稱作“主動(dòng)穩(wěn)定”。雖然這種設(shè)備被證明對于在S. khwartz，G. Feugnet和J.-p. Pocholle的專利US 7 548 572中描述的 “兩波”形式的固態(tài)激光陀螺儀的實(shí)現(xiàn)而言是相對簡單的，但是對于它的“四波”形式的實(shí)現(xiàn)或是在S. Schwartz,G. Feugnet和J. -P. Pocholle的專利US 7 230 686中描述的多振蕩器版本的實(shí)現(xiàn)而言更復(fù)雜了。圖1顯示了這種類型的激光陀螺儀，其主要包括-包括至少一個(gè)部分反射鏡11的光學(xué)環(huán)形腔1，能夠處理腔1外部的反向傳播模式；-固態(tài)放大介質(zhì)2；-控制一個(gè)光學(xué)旋轉(zhuǎn)器(opticalrotator)或兩個(gè)光學(xué)旋轉(zhuǎn)器4和5的從屬裝置 3(圖1中的點(diǎn)狀箭頭)；-測量設(shè)備6；-光學(xué)系統(tǒng)，包括
-第一光學(xué)組件，包括第一非互易(non-reciprocal)的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器5和互易的光學(xué)旋轉(zhuǎn)器4;-第二光學(xué)組件，包括第一空間濾波設(shè)備7和第一偏振分光 (polarization-splitting)光學(xué)兀件 8 ；-第三光學(xué)組件，包括第二空間濾波設(shè)備10和第二偏振分光光學(xué)元件9，第二光學(xué)組件和第三光學(xué)組件置于第一光學(xué)組件的任意一側(cè)，第三光學(xué)組件相對于第二光學(xué)組件對稱放置；以及-第四光學(xué)組件，順序包括第一四分之一波片12，第二非互易光學(xué)旋轉(zhuǎn)器14和第二四分之一波片13，該第二四分之一波片13的主軸以90°垂直于第一四分之一波片的主
軸ο

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的激光陀螺儀制作更方便。它采用多振蕩器固態(tài)激光陀螺儀，不再采用作用于差分損失上的主動(dòng)穩(wěn)定設(shè)備，而是采用在激光器腔中具有非線性效應(yīng)的被動(dòng)穩(wěn)定設(shè)備，該設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)。更確切的，本發(fā)明的主題是一種用于測量角速度或者沿著定義的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相對角位置的激光陀螺儀，所述激光陀螺儀至少包括-光學(xué)環(huán)形腔；-固態(tài)放大介質(zhì)；以及-非互易磁光設(shè)備(non-reciprocalmagneto-optic device)。這些組件被設(shè)置為使得四個(gè)傳播模式可以在腔中傳播，第一傳播模式和第三傳播模式在同一方向被線性地偏振，第二傳播模式和第四傳播模式垂直于第一模式和第三模式被線性地偏振，在腔內(nèi)第一傳播模式和第二傳播模式在第一方向上進(jìn)行傳播，在腔內(nèi)第三傳播模式和第四傳播模式在相反的方向上進(jìn)行傳播，并且磁光設(shè)備在傳播于第一方向上的模式和傳播于相反方向上的模式之間引入頻偏(frequency bias),其特征在于所述腔還包括穩(wěn)定器設(shè)備，用于在基本上等效的程度上穩(wěn)定四個(gè)傳播模式的強(qiáng)度，所述設(shè)備包括至少一個(gè)由倍頻類非線性晶體(non-linear crystal of the frequency-doubling type)制作而成的光學(xué)元件。優(yōu)選地，該光學(xué)元件是雙折射晶體，設(shè)計(jì)用以從具有第一光學(xué)頻率的傳播模式產(chǎn)生具有第二光學(xué)頻率的光束，該第二光學(xué)頻率是第一光學(xué)頻率的兩倍。有利地，在第一配置中，穩(wěn)定器設(shè)備包括兩個(gè)同樣的由雙折射晶體制作而成的光學(xué)元件，其中所述晶體為具有平行平面的片狀結(jié)構(gòu)，該平面與不同傳播模式的傳播軸垂直， 這兩個(gè)元件通過共用的表面被組裝，并且第一元件的晶軸(crystallographic axis)垂直于第二元件的晶軸。光學(xué)元件可以由β-硼酸鋇(ΒΒ0或i3BaB204)晶體制作而成。有利地，在第二配置中，光學(xué)元件包括一堆有規(guī)則的交替的具有相同厚度的薄片層，其中薄片層由相同的負(fù)單軸雙折射晶體制作而成，不同層的表面與不同的傳播模式的傳播軸垂直，每層的光軸與層平面平行并且在不同層指向同樣的方向，不同傳播模式的偏振方向與所述的光軸呈45°定向，每層的有效的非線性系數(shù)的符號與在其之后的薄層的符號相反。在這種情況下，每層的厚度(Λ )等于A= 2mL。，m是奇數(shù)，L。表示相干長度(coherence length)，Lc等于& =，并且n2和Ii1分別是在第二光學(xué)頻率和第一光
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學(xué)頻率下的晶體的光學(xué)指數(shù)(optical indices)。該光學(xué)元件可以由鈮酸鋰(LiNbO3)制作而成。有利地，放大介質(zhì)作為穩(wěn)定器設(shè)備。在這種情況下，放大介質(zhì)由摻釹三硼酸氧鈣釔 (YC0B或者YQi4O(BO3)3)或者摻釹四硼酸鋁釔(YAB或者YAI3(BO3)4)構(gòu)成。


通過閱讀以下的通過非限制實(shí)施例和附圖的描述，本發(fā)明更容易理解并且其它的優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)出來，其中-已經(jīng)描述過的圖1表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有四個(gè)傳播模式的固態(tài)激光陀螺儀；-圖2表示根據(jù)本發(fā)明具有四個(gè)傳播模式的固態(tài)激光陀螺儀；-圖3表示倍頻晶體器件的操作原理；-圖4表示循環(huán)于腔中的四個(gè)傳播模式的不同頻率；-圖5表示對于操作于相位調(diào)諧模式下的晶體，在給定方向上線性偏振的傳播模式的倍頻原理；-圖6表示對于操作于相位調(diào)諧模式下的設(shè)備，在給定方向上線性偏振的傳播模式以及在垂直方向上線性偏振的傳播模式的倍頻原理；以及-圖7表示對于操作于準(zhǔn)相位調(diào)諧模式下的設(shè)備，在給定方向上線性偏振的傳播模式以及在垂直方向上線性偏振的傳播模式的倍頻原理。
具體實(shí)施例方式圖2給出本發(fā)明的原理的框圖。它主要包括-包括至少一個(gè)部分反射鏡11的光學(xué)環(huán)形腔1，用于處理腔1外部的反向傳播模式。在圖2中，所述腔共具有四個(gè)平面鏡。為了保證腔的光學(xué)穩(wěn)定性，腔的至少一個(gè)鏡可以被彎曲；-固態(tài)放大介質(zhì)2；-測量設(shè)備6。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，這種設(shè)備是眾所周知的并且在本發(fā)明內(nèi)容中不再詳細(xì)描述；-包括光學(xué)組件的光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)組件順序包括第一四分之一波片12，第二非互易光學(xué)旋轉(zhuǎn)器14以及第二四分之一波片13，該第二四分之一波片的主軸與第一四分之一波片的主軸成90° ；以及-用于穩(wěn)定傳播模式強(qiáng)度的穩(wěn)定器設(shè)備20，包括至少一個(gè)由倍頻類非線性晶體制作而成的光學(xué)元件。術(shù)語“倍頻器件”被理解為如圖3所示的器件，這就是說，當(dāng)光波Βω以頻率ω通過設(shè)備20時(shí)，傳播光束中的一部分被該設(shè)備轉(zhuǎn)換成產(chǎn)生于頻率2 ω的波束&ω。四個(gè)傳播模式在腔內(nèi)傳播，第一傳播模式和第三傳播模式在同一方向被線性地偏振，第二傳播模式和第四傳播模式在垂直于第一模式和第三模式的方向上被線性地偏振， 在腔內(nèi)第一傳播模式和第二傳播模式在第一方向上進(jìn)行傳播，在腔內(nèi)第三傳播模式和第四傳播模式在相反的方向上進(jìn)行傳播。
固態(tài)增益介質(zhì)可以例如是如圖2所示的由激光二極管15泵浦的Nd:YAG晶體。為了通過激光二極管15傳輸光輻射輸出，腔的至少一個(gè)鏡被加工。這種介質(zhì)必須能夠?yàn)閮煞N偏振狀態(tài)提供基本上等效的增益，以允許沿著兩個(gè)垂直的偏振軸偏振的傳播模式的產(chǎn)生和循環(huán)。使用諸如NchYVO4的這種偏振增益介質(zhì)因此被排除在外。有利地，增益介質(zhì)可以由沿它的晶軸切割的Nd:YAG晶體組成并且根據(jù)激光器腔的特征狀態(tài)來確定方向，正如在 S. Schwartz, G. Feugnet 和 J. -P. Pocholle 的專利申請 WO 2009/077314 中描述的一樣，以此來將正交模式之間的耦合最小化。在后者的情況中，所使用的泵浦(pumping)是去偏振的，或者是以45°角線性偏振于晶體軸。磁光偏置發(fā)生器提供了反向傳播模式的分頻(frequency splitting)并且因此消除了“死區(qū)”效應(yīng)。如圖2所示，這種元件通常包括兩個(gè)四分之一波片，所述兩個(gè)波片放置于法拉第旋轉(zhuǎn)器的任意一側(cè)，其中法拉第旋轉(zhuǎn)器可以例如是置于螺旋管(solenoid)中的晶體。在該元件之外呈線性的腔的特征狀態(tài)在第一四分之一波片的作用下變成圓形的 (circular)，并且在第二波片的作用下在重新變成線性之前經(jīng)歷與法拉第旋轉(zhuǎn)器的磁場成比例的相移(phase shift)。由此定義的激光器腔的特征狀態(tài)在磁光偏置發(fā)生器外是線性的并且在其內(nèi)是圓形的。與這些特征狀態(tài)關(guān)聯(lián)的特征值主要由三個(gè)潛在的影響源決定；-腔的殘留的雙折射；-磁光偏置發(fā)生器；以及-由于腔轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的薩尼亞克(Mgnac)效應(yīng)。多振蕩器激光陀螺儀的原理包括調(diào)節(jié)第一兩個(gè)偏置源使得腔的四個(gè)模式的頻率分離從而消除死區(qū)以及獲得獨(dú)立于所述偏置波動(dòng)的線性的薩尼亞克(Mgnac)響應(yīng)。本發(fā)明的這個(gè)原理在圖4中進(jìn)行描述。該圖給出了在上述的不同影響作用下的激光器腔的四個(gè)特征模式的特征頻率F1+，F(xiàn)1-，F(xiàn)2+，F(xiàn)2_。兩對正交模式(由1和2來表示)通過腔的雙折射達(dá)到頻率分離。兩對反向傳播模式(由+和-來表示)通過磁光偏置發(fā)生器以及當(dāng)激光器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過薩尼亞克效應(yīng)達(dá)到頻率分離。接著，通過在相同偏振狀態(tài)的模式之間引起拍頻(beating)來檢測信號，其中該相同偏振狀態(tài)的模式一方面被命名為(1+)和(1_) 模式并在另一方面被命名為和O-)。如果磁光偏置被稱為AFfakaday并且由薩尼亞克(Sagnac)效應(yīng)引入的頻差被稱為AFs艦c，那么(1+)和(1_)模式之間的拍頻將提供 ΔFfaeaday-Δ測量值，而和O-)模式之間的拍頻將提供AFFA_Y+AF_AeW測量值。通過對這兩個(gè)測量值求差，獲得獨(dú)立于任何偏置值波動(dòng)的2 Δ FSAfflA。。這個(gè)設(shè)備還具有敏感度是傳統(tǒng)激光陀螺儀敏感度的兩倍的優(yōu)勢。需要注意的是可以使用腔的非平面的配置，其中，腔的特征狀態(tài)是圓形的。氦-氖多振蕩器激光陀螺儀可以采用這種配置。在這種情況下，用于產(chǎn)生磁光偏置的設(shè)備單獨(dú)僅由不具有四分之一波片的法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成。測量原理是一樣的。如上所述，用于穩(wěn)定具有基本上等效程度的四個(gè)傳播模式強(qiáng)度的設(shè)備包括至少一個(gè)由倍頻類非線性晶體制作而成的光學(xué)元件。原理如下由于倍頻與原始模式的強(qiáng)度成比例，因此對于腔內(nèi)的每一種模式，模式的強(qiáng)度越高則設(shè)備引入的損耗越大，因此穩(wěn)定激光器的雙向操作。為了保證四個(gè)模式同時(shí)存在于腔內(nèi)，在相應(yīng)于激光器的特征模式的兩個(gè)正交偏振狀態(tài)上進(jìn)行倍頻是必要的。令倍頻光束不在腔內(nèi)傳播是重要的，以此防止主要的模式被寄生。為此，在倍頻時(shí)，通過處理腔內(nèi)的鏡有意識地引入大的損耗是有益的，這就是說在倍頻時(shí)鏡的處理具有一個(gè)低的反射系數(shù)。到目前為止，這不存在技術(shù)困難，原則上，加倍的頻率會(huì)很好地遠(yuǎn)離原始頻率。假設(shè)每單位時(shí)間的加倍強(qiáng)度可以表示為KI/ISAT，K為加倍系數(shù)，I為加倍模式的強(qiáng)度以及Isat為飽和度，那么自穩(wěn)定條件可以表示成Κ> υΛ2Ω2 \2)，其中γ是每單位時(shí)間的損耗水平，Ω是由磁光設(shè)備引入的頻偏以及T1是受激能級的生命時(shí)間，通常為幾百微秒的數(shù)量級。制造倍頻器件具有多種可能配置。正如非限制性的例子，下述的配置由雙折射晶體制作而成。事實(shí)上眾所周知，為了在給定材料的情況下能夠進(jìn)行倍頻，那么該材料的光學(xué)指數(shù)必須滿足被稱為相位調(diào)諧條件(phase tuning condition)的特性。相位調(diào)諧條件令對應(yīng)于基本角頻率ω和諧波角頻率2ω的波向量廠“和冢2 相等，這可以表示成
權(quán)利要求
1.一種激光陀螺儀，用于測量角速度或沿定義的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的相對角位置，所述陀螺儀至少包括-光學(xué)環(huán)形腔(1)；-固態(tài)放大介質(zhì)O)；以及-非互易磁光設(shè)備(12，13，14)，這些組件被設(shè)置為使得四個(gè)傳播模式能夠在腔中傳播，第一傳播模式和第三傳播模式在同一方向被線性地偏振，第二傳播模式和第四傳播模式在垂直于第一模式和第三模式的方向上被線性地偏振，在腔內(nèi)第一傳播模式和第二傳播模式在第一方向上進(jìn)行傳播，在腔內(nèi)第三傳播模式和第四傳播模式在相反的方向上進(jìn)行傳播，并且所述磁光設(shè)備在傳播于第一方向上的模式和傳播于相反方向上的模式之間引入頻偏，其特征在于所述腔還包括穩(wěn)定器設(shè)備(20)，用于在基本上等效的程度上穩(wěn)定四個(gè)傳播模式的強(qiáng)度，所述設(shè)備包括至少一個(gè)由倍頻類非線性晶體制作而成的光學(xué)元件(21，22， 24)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述光學(xué)元件(21,2 是雙折射晶體，設(shè)計(jì)用以從具有第一光學(xué)頻率(X1)的傳播模式產(chǎn)生具有第二光學(xué)頻率(λ2)的光束， 該第二光學(xué)頻率是第一光學(xué)頻率的兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光陀螺儀，其特征在于所述穩(wěn)定器設(shè)備00)包括兩個(gè)同樣的由雙折射晶體制作而成的光學(xué)元件01，22)，其中所述晶體為具有平行平面的片狀結(jié)構(gòu)，該平面與不同傳播模式的傳播軸垂直，這兩個(gè)元件通過共用的表面被組裝，并且第一元件的晶軸垂直于第二元件的晶軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的激光陀螺儀，其特征在于所述光學(xué)元件(21,2 是由 β-硼酸鋇(ΒΒ0或β BaB2O4)晶體構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述光學(xué)元件04)包括一堆有規(guī)則的交替的具有相同厚度的薄片層(23)，所述薄片層由相同的負(fù)單軸雙折射晶體制作而成， 不同層的表面與不同的傳播模式的傳播軸垂直，每層的光軸與層平面平行并在不同層指向相同的方向，不同傳播模式的偏振方向與所述光軸呈45°定向，每層的有效的非線性系數(shù)的符號與隨后的薄層的符號相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光陀螺儀，其特征在于每層的厚度(Λ)等于Λ= 2mL。，m是奇數(shù)，L。表示相干長度，Lc等于總=4(:_巧)，并且 和Ill分別是在第二光學(xué)頻率和第一光學(xué)頻率下的晶體的光學(xué)指數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光陀螺儀，其特征在于所述光學(xué)元件04)由鈮酸鋰 (LiNbO3)構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述放大介質(zhì)(2)作為穩(wěn)定器設(shè)備。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光陀螺儀，其特征在于所述放大介質(zhì)O)由摻釹三硼酸氧鈣釔(YC0B或者YCa4O (BO3)3)構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光陀螺儀，其特征在于所述放大介質(zhì)( 由摻釹四硼酸鋁釔(YAB 或者 YAI3 (BO3)4)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明總體上涉及一種由倍頻晶體器件實(shí)現(xiàn)被動(dòng)穩(wěn)定的多振蕩器固態(tài)激光陀螺儀，用于測量角速度或相對于定義的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角位置。所述激光陀螺儀包括光學(xué)環(huán)形腔(1)；固態(tài)放大介質(zhì)(2)；以及非互易磁光設(shè)備(12，13，14)，這些組件被設(shè)置為使得四個(gè)線性偏振的傳播模式可以在腔中傳播，磁光設(shè)備在傳播于第一方向上的模式和傳播于相反方向上的模式之間引入頻偏。在本發(fā)明的設(shè)備中，腔還包括穩(wěn)定器設(shè)備(20)，用于在基本上等效的程度上穩(wěn)定四個(gè)傳播模式的強(qiáng)度，所述設(shè)備包括至少一個(gè)由倍頻類非線性晶體制作而成的光學(xué)元件。
文檔編號G01C19/66GK102353372SQ20111015807
公開日2012年2月15日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者G·弗熱奈特, J-P·玻肖勒, S·施瓦茨 申請人:泰勒斯公司