專利名稱：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)域在于用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度的固態(tài)激光陀螺儀。這種儀器特別用于航空。
背景技術(shù)：
激光陀螺儀，大約30年前設(shè)計(jì)，目前以商業(yè)規(guī)模廣泛使用。其操作原理在于基于Sagnac效應(yīng)，其在沿經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的雙向作用激光器環(huán)腔的相反方向傳播的兩種光投射模式之間產(chǎn)生頻率差Δv，上述傳播稱為反向傳播模式。通常，頻率差Δv等于Δv＝4AΩ/λL其中，L和A分別是腔室的長(zhǎng)度和面積；λ是所述激光排除Sagnac效應(yīng)的發(fā)射波長(zhǎng)；而且Ω是所述裝置的旋轉(zhuǎn)速度。
由對(duì)兩股射束沖擊(beat)的光譜分析測(cè)得的Δv值用于非常準(zhǔn)確的確定Ω值。
還可證明所述激光陀螺儀只有在高于一定旋轉(zhuǎn)速度以減少聯(lián)結(jié)器(intermodal coupling)影響的情況下才能正確運(yùn)行。低于該界限的旋轉(zhuǎn)速度范圍通常稱為盲區(qū)。
觀測(cè)所述沖擊的條件并因而觀測(cè)激光陀螺儀的條件在于兩個(gè)方向發(fā)射強(qiáng)度的穩(wěn)定和相對(duì)均等。由于聯(lián)結(jié)對(duì)抗現(xiàn)象(intermodal competitionphenomenon)這在先前不是一件容易實(shí)現(xiàn)的事，該現(xiàn)象意味著兩種反向傳播模式的一種可能有獨(dú)占可用增益而損害另一模式的傾向。
該問題在標(biāo)準(zhǔn)激光陀螺儀中得到解決，通過使用氣態(tài)放大介質(zhì)——通常為在常溫下作用的氦/氖混合氣體。所述氣體混合物的增益曲線由于原子的熱擾動(dòng)表現(xiàn)為多普勒擴(kuò)展。能夠傳送增益到一種給定頻率模式的唯一的原子為速度引發(fā)在傳遞頻率上的多普勒遷移的原子，這把所述原子引入所討論模式的共振中。強(qiáng)迫激光發(fā)射在除了增益曲線的中心進(jìn)行(通過對(duì)光路長(zhǎng)度進(jìn)行壓電調(diào)整)可保證與腔室發(fā)生共振的原子具備非零速度。這樣，在兩個(gè)方向中的一個(gè)上促進(jìn)增益的原子具有這樣的速度，其和那些在相反方向上促進(jìn)增益的原子的速度相對(duì)。因此系統(tǒng)運(yùn)行起來就好像有兩個(gè)獨(dú)立的放大介質(zhì)，在一個(gè)方向上一個(gè)。由于聯(lián)結(jié)對(duì)抗已經(jīng)消失，穩(wěn)定而平衡的雙向發(fā)射發(fā)生了(實(shí)踐中，為緩和其它問題，使用了由兩種不同的氖同位素組成的混合物)。
然而，放大介質(zhì)的氣體特性成為在生產(chǎn)激光陀螺儀時(shí)造成技術(shù)復(fù)雜性(尤其是由于要求的高氣體純度)和在使用中過早磨損(氣體泄漏、電極退化和用于建立密度倒置的高壓等等)的源泉。
目前，能夠制造在可見光和紅外線附近運(yùn)行采用例如基于釹—摻雜YAG(釔鋁石榴石)晶體而代替氦/氖氣體混合物的固態(tài)激光陀螺儀，光學(xué)泵激(pumping)通過在紅外波段附近運(yùn)行的二極管激光器提供。還可把下述介質(zhì)作為放大介質(zhì)半導(dǎo)體材料、晶體矩陣或涂有屬于稀土族(鉺、銥等)的離子的玻璃。因此，所有放大介質(zhì)的氣體特性固有的問題事實(shí)上被除去了。然而，這樣的結(jié)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)，這是由于固態(tài)介質(zhì)的增益曲線擴(kuò)展的均勻性特征，其造成非常強(qiáng)烈的聯(lián)結(jié)對(duì)抗，并且因?yàn)榇罅康牟煌\(yùn)行體系，其中的強(qiáng)度—平衡雙向體系，稱之為“沖擊體系”是一種最不穩(wěn)定的特別例子(N.Kravtsov and E.Lariotsev，Self-modulation oscillations and relaxations processes insolid-state ring lasers，Quantum Electronics24(10)，841-856(1994))。這一主要物理障礙大大限制了固態(tài)激光陀螺儀的發(fā)展。
為減少這樣的缺陷，有一種技術(shù)解決方案為減弱在固態(tài)環(huán)形激光中反向傳播模式之間對(duì)抗的影響，其通過把取決于光模式傳播方向及其強(qiáng)度的光損失引入腔室而實(shí)現(xiàn)。其原理在于用反饋裝置調(diào)整這些損失，該調(diào)整按照兩種傳送模式之間的強(qiáng)度差以促進(jìn)較弱的模式而損害其它模式，從而持久的把所述兩種反向傳播模式的強(qiáng)度強(qiáng)迫維持在一個(gè)公共值。
1994年，一種反饋裝置提出，其中所述損失通過光學(xué)設(shè)備獲得，該設(shè)備實(shí)質(zhì)上由體現(xiàn)可變法拉第效應(yīng)的部件和偏振部件組成(A.V.Dotsenko和E.G.Lariontsev，Use of a feedback circuit for theimprovement of the characteristics of a solid-state ring laser，Soviet Journalof Quantum Electronics14(1)，117-118(1984)以及A.V.Dotsenko，L.S.Komienko，N.V.Kravtsov，E.G.Lariontsev，O.E.Nanii和A.N.Shelaev，Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regimein a solid-state ring laser，Soviet Journal of Quantum Electronics16(1)，58-63(1986))。
該反饋裝置的原理如圖1所示。它包括引入環(huán)形腔1，由三個(gè)鏡11、12和13組成，以及一放大媒介19，放置在反向傳播光模式5和6路徑上的光設(shè)備，所述設(shè)備包括體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的偏振裝置71和光棒72組成，其由電感線圈73彎曲而成。在腔室的輸出位置，兩種光模式5和6被輸?shù)揭粋€(gè)測(cè)量光電二極管3。光束5和6的一部分通過兩個(gè)半反射盤43減弱并送到兩個(gè)光電探測(cè)儀42。這些光電探測(cè)儀輸出的信號(hào)代表著兩種反向傳播光模式5和6的光強(qiáng)度。所述信號(hào)被送到一個(gè)電子反饋模組4，進(jìn)而產(chǎn)生與所述兩種光模式間光強(qiáng)差成比例的電流。該電流決定了在每一個(gè)反向傳播模式5和6遭受的損失值。如果一個(gè)光束比另一個(gè)具備更高光強(qiáng)，其強(qiáng)度將會(huì)減弱，從而使輸出的光束具備相同的強(qiáng)度水平。因此，雙向系統(tǒng)是強(qiáng)度—穩(wěn)定的。
按照這個(gè)規(guī)則，固態(tài)激光陀螺儀僅可在反饋裝置的參數(shù)與所述系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特征匹配時(shí)才運(yùn)行。為使反饋裝置能夠給出正確的結(jié)果，三個(gè)條件必須滿足·被反饋裝置引入腔室的額外損失必須與腔中本身的損失處于同樣的數(shù)量級(jí)；·反饋裝置的反應(yīng)速度必須大于發(fā)射模式強(qiáng)度的變化速率從而反饋可以充分進(jìn)行；和·最后，反饋裝置的反饋力必須對(duì)引入腔室的效應(yīng)足夠大而有效的補(bǔ)償強(qiáng)度變化。
麥克斯韋—布洛克方程用于確定反向傳播光模式場(chǎng)的復(fù)雜值E1，2以及粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度(population inversion density)N。這些用半—常規(guī)模型獲得(N.Kravtsov和E.Lariotsev，Self-modulation oscillations andrelaxations processes in solid-state ring lasers，Quantum Electronics24(10)，841-856(1994))。
這些方程為
方程1dE1,2/dt=-(ω/2Q1,2)E1,2+i(m1,2/2)E2,1±i(Δv/2)E1,2+(σ/2T)(E1,2∫Ndx+E2,1∫Ne±2ikxdx)]]>方程2dN/dt＝W-(N/T1)-(a/T1)N|E1e-ikx+E2Eikx|2其中指數(shù)1和2代表兩個(gè)反向傳播光學(xué)模式；ω是排除了Sagnac效應(yīng)的激光發(fā)射頻率；Q1，2是兩個(gè)傳播反向上腔室的Q-因子；m1，2是兩個(gè)傳播反向上腔室的反向散射系數(shù)；σ是有效激光發(fā)射橫截面；l為傳播增益介質(zhì)長(zhǎng)度；T＝L/c是腔室每一種模式的傳導(dǎo)時(shí)間；k＝2π/λ是波向量的模；W是泵激速率；T1是激發(fā)態(tài)的壽命；并且a，飽和參數(shù)，等于 方程1的右側(cè)有四個(gè)式子。第一個(gè)式子對(duì)應(yīng)腔室中由于損失引起的場(chǎng)中的變化、第二個(gè)式子對(duì)應(yīng)在腔室中散射元素存在時(shí)一種模式對(duì)另一種模式的反向散射引起的場(chǎng)中的變化、第三個(gè)式子對(duì)應(yīng)由Sagnac效應(yīng)引起的場(chǎng)中的變化、以及第四個(gè)式子對(duì)應(yīng)由放大介質(zhì)的存在而引起的場(chǎng)中的變化。所述第四個(gè)式子有兩個(gè)組份，第一個(gè)對(duì)應(yīng)受激輻射，而第二個(gè)對(duì)應(yīng)在放大介質(zhì)中激發(fā)的密度倒置出現(xiàn)時(shí)一種模式對(duì)另一個(gè)模式的反向散射。
方程2的右側(cè)有三個(gè)式子。第一個(gè)式子對(duì)應(yīng)由于光泵激引起的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度中的變化、第二個(gè)式子對(duì)應(yīng)由于受激發(fā)射引起的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度中的變化以及第三個(gè)式子對(duì)應(yīng)由于自發(fā)發(fā)射引起的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度中的變化。
因此，經(jīng)歷光模式的完整旋轉(zhuǎn)之后腔室引起的平均損失Pc為Pc＝ωT/2Q1，2，按照方程1右側(cè)的第一個(gè)式子。
由于反饋裝置引入的損失Pf必須和這些平均損失Pc具備同樣的數(shù)量級(jí)。一般而言，這些損失具備1％的數(shù)量級(jí)。
反饋設(shè)備的反應(yīng)速度可由所述反饋設(shè)備的波長(zhǎng)寬度γ來表示。已經(jīng)證明(A.V.Dotsenko和E.G.Lariontsev，Use of a feedback circuit for theimprovement of the characteristics of a solid-state ring laser，SovietJournal of Quantum Electronics 14(1)，117-118(1984)以及A.V.Dotsenko，L.S.Komienko，N.V.Kravtsov，E.G.Lariontsev，O.E.Nanii和A.N.Shelaev，Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regimein a solid-state ring laser，Soviet Journal of Quantum Electronics16(1)，58-63(1986))，使用方程1和2，建立穩(wěn)定的高于旋轉(zhuǎn)速度的雙向系統(tǒng)的充分條件可寫作γ＞＞ηω/[Q1，2(ΔvT1)2]其中η＝(W-Wthreshold)/W并且η對(duì)應(yīng)高于閾值Wthreshold的相對(duì)泵激速度。
例如，對(duì)10％的相對(duì)泵激速度η，18×1014的光頻率ω，107的品質(zhì)因子Q1，2，15kHz的頻率差Δv，以及0.2ms的激發(fā)態(tài)壽命T1，則帶寬γ必須大于40kHz。
為使所述環(huán)能夠正確運(yùn)行，下列關(guān)系也必須滿足(ΔvT1)2＞＞1通常，反饋設(shè)備的反饋力q用下述方式表示q＝[(Q1-Q2)/(Q1+Q2)]/[(I2-I1)/(I2+I1)]其中I1和I2為所述兩種反向傳播模式的光強(qiáng)。
這種應(yīng)用中，已經(jīng)證明參數(shù)q必須大于1/(ΔvT1)2以使得反饋裝置能夠正確運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
我們發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)固態(tài)激光陀螺儀的穩(wěn)定設(shè)備，其包括反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)遭受取決于傳播方向的光損失，并基于對(duì)三種物理效應(yīng)的聯(lián)合，即可逆旋轉(zhuǎn)、不可逆旋轉(zhuǎn)以及偏振。按照本發(fā)明的穩(wěn)定設(shè)備使得獲得陀螺儀激光正常運(yùn)行所需要的條件成為可能。
當(dāng)對(duì)具備初始偏振狀態(tài)的光，光的偏振狀態(tài)在所述組件中經(jīng)過來回穿行后不同于該初始狀態(tài)時(shí)，在光學(xué)組件中存在一個(gè)不可逆光學(xué)效應(yīng)。體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的材料為當(dāng)材料受到磁場(chǎng)作用時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過其中的直線偏振光束的偏振方向的材料。該效應(yīng)是不可逆的。因此，沿相反方向傳播的同樣的光束將經(jīng)歷其相同意義上的偏振方向上的旋轉(zhuǎn)。這一原理如圖2a所示。直線偏振光束5的偏振方向51旋轉(zhuǎn)經(jīng)過一個(gè)角β，當(dāng)其經(jīng)過按照前文所述體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的組件8時(shí)發(fā)生這樣的旋轉(zhuǎn)(圖2a中的上圖)。如果以相反方向傳播的同樣的光束6，其偏振方向初始轉(zhuǎn)過β，重新注入體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的組件中，光束的偏振方向51在穿過所述組件即再轉(zhuǎn)過角度β，那么在經(jīng)過來回穿行后旋轉(zhuǎn)的總角度為2β(圖2a中的中間圖形)。體現(xiàn)可逆效應(yīng)的常規(guī)部件7中，偏振方向51將轉(zhuǎn)過-β，以重回到起始位置(圖2a中的下圖)。
更加準(zhǔn)確的，本發(fā)明的主題為一種激光陀螺儀，包括至少一個(gè)由至少三個(gè)鏡片組成的光環(huán)腔、固態(tài)放大介質(zhì)和反饋系統(tǒng)，所述腔和所述放大介質(zhì)可使得兩個(gè)反向傳播光模式可沿一個(gè)和另一個(gè)方向相關(guān)的相反方向在腔內(nèi)傳播，所述反饋系統(tǒng)使得兩種反向傳播模式的強(qiáng)度保持幾乎相同，所述反饋系統(tǒng)包括腔內(nèi)的至少一個(gè)光學(xué)裝置，該裝置由偏振元件和體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備組成，該設(shè)備參照反向傳播模式偏振狀態(tài)運(yùn)行，所述反饋系統(tǒng)的特征在于所述光學(xué)裝置還包括體現(xiàn)可逆效應(yīng)的設(shè)備，此設(shè)備也按照反向傳播模式偏振狀態(tài)運(yùn)行，所述反饋系統(tǒng)包括控制裝置以控制所述體現(xiàn)可逆效應(yīng)和不可逆效應(yīng)的設(shè)備的至少一個(gè)效應(yīng)。
那么兩個(gè)自由的技術(shù)選擇可如此·或者可逆效應(yīng)固定，而且這種情況下所述不可逆效應(yīng)必須能夠進(jìn)行調(diào)整而使得所述反饋設(shè)備能夠運(yùn)行；·或者不可逆效應(yīng)固定，而且這種情況下所述可逆效應(yīng)必須能夠進(jìn)行調(diào)整而使得所述反饋設(shè)備能夠運(yùn)行。


在讀到下述由不受限制的實(shí)施例給定的說明書以及從附圖中，本發(fā)明將更加清楚的得到理解，其它優(yōu)勢(shì)也將會(huì)變得明顯，其中圖1表示的是按照現(xiàn)有技術(shù)的反饋設(shè)備的操作原理；圖2a表示的是不可逆法拉第效應(yīng)的原理；
圖2b表示的是按照本發(fā)明用于引發(fā)取決于傳播反向的損失的設(shè)備的總的原理；圖3表示的是按照本發(fā)明的反饋設(shè)備的總圖；圖4表示的是由非平面型腔室引入的可逆效應(yīng)的總的原理；圖5表示的是單體腔室的總圖；圖6表示的是包括單體腔室的激光陀螺儀的總圖；圖7表示的是單非平面型腔室的原理圖；圖8a和圖8b表示的是在體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的單體腔室中產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的原理圖；圖9表示的是在體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的單體腔室中產(chǎn)生固定磁場(chǎng)的原理圖；圖10表示的是由光纖維制成的激光陀螺儀腔室的原理圖。
具體實(shí)施例方式
把可逆效應(yīng)和不可逆效應(yīng)結(jié)合的原理如圖2b所示的實(shí)施例所闡釋，其中可逆和不可逆效應(yīng)為線性偏振的簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)。該圖中的兩個(gè)圖形表示環(huán)腔的一部分，其中兩個(gè)反向傳播光束5和6可循環(huán)。該腔室包括，連同其它東西，由線性偏振儀71組成的光學(xué)裝置、體現(xiàn)可逆效應(yīng)按照所述線性偏振光的偏振方向運(yùn)行的第一元件7和體現(xiàn)不可逆效應(yīng)也按照所述光的偏振方向運(yùn)行的第二元件8。為清楚起見，包含該光學(xué)裝置的腔室部分表示為直線。所述光束的偏振方向如箭頭所示。第一元件7把所述光的偏振向前旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，而第二部件8把偏振也向前旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度β。第一部件7可特別的為半波長(zhǎng)板，其軸相對(duì)于線性偏振儀71的偏振軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過一個(gè)角度α/2。部件8可如上文所述為法拉第旋轉(zhuǎn)儀。考慮到，一個(gè)由線性偏振儀71線性偏振并且連續(xù)經(jīng)過第一和第二部件的第一光束5，如圖2b中上面的圖形所示，在經(jīng)過第一部件后偏振方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度α，而且經(jīng)過第二部件后偏振方向轉(zhuǎn)過一個(gè)等于α+β的角度θ向前。當(dāng)該光束經(jīng)過一完全的旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過線性偏振儀71，其相對(duì)傳遞T向前如此表示T向前＝cos2(α+β)還考慮到，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為小時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度損失P向前為
P向前＝(α+β)2這可通過所述余弦函數(shù)的二階有限展開獲得。
考慮到，一個(gè)第二光束6，線性偏振并沿和第一光束5相反的方向連續(xù)經(jīng)過第二部件然后經(jīng)過第一部件，如圖2b的底部圖形所示，再經(jīng)過所述第二部件后，其偏振方向轉(zhuǎn)過一個(gè)角度β，并且再經(jīng)過所述第一部件后，其偏振方向轉(zhuǎn)過等于-α+β的角度θ向后。當(dāng)該光束經(jīng)過其軸與所述光束的起始偏振方向平行的線性偏振儀時(shí)，其相對(duì)傳遞系數(shù)為T向后＝cos2(β-α)還考慮到，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為小時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度損失P向后為P向后＝(β-α)2這可通過所述余弦函數(shù)的二階有限展開獲得。
因此，反向傳播方向上的損失與記錄在向前方向上的損失不同，向前方向上的損失真正的對(duì)應(yīng)需要的結(jié)果。因此，通過變換兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角α或β中的一個(gè)可不同的變換反向傳播模式的強(qiáng)度。
當(dāng)然，上述例子可推廣到任何把可逆效應(yīng)和按照所述光束的偏振狀態(tài)運(yùn)行的不可逆效應(yīng)結(jié)合在一起的情況，這樣所述結(jié)合的情況可轉(zhuǎn)化成由偏振元件引起的光強(qiáng)變化。在實(shí)際的腔室中，各種類型的組件(腔鏡、放大介質(zhì)、偏振儀、等等。)可能影響光束的偏振狀態(tài)及其強(qiáng)度。為使反向傳播的偏振狀態(tài)在腔室中經(jīng)過徹底的旋轉(zhuǎn)之后能夠更加精確的了解，采用了規(guī)范的瓊斯矩陣。這包括用下述矩陣表示一個(gè)部件對(duì)偏振狀態(tài)的影響，即一個(gè)在光束的傳播方向垂直的平面上提供參考的2×2矩陣?？偟膩碚f，所選擇的參考矩陣對(duì)應(yīng)內(nèi)腔偏振主軸，因此簡(jiǎn)化了數(shù)學(xué)表達(dá)式。為確定所有的內(nèi)腔組成部件造成的影響，所有需要做的是確定代表這些部件的各種矩陣乘積的特征狀態(tài)。由于該乘積不一定能代替，因此所述影響因光束的傳播方向而不同。
在如圖2b所示的實(shí)施例中，包括下述內(nèi)容即偏振儀71、體現(xiàn)可逆效應(yīng)的部件7和體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的部件8的腔室的瓊斯矩陣M向前沿向前方向可表示為 經(jīng)過一個(gè)徹底的旋轉(zhuǎn)以后所造成的偏振為相對(duì)偏振儀的偏振軸傾斜一個(gè)α+β角度的線性偏振并且穿過偏振儀的強(qiáng)度等于cos2(α+β)。
同一腔的瓊斯矩陣M向后，包括偏振儀71、體現(xiàn)可逆效應(yīng)的部件7和體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的部件8，在向后方向表示為 經(jīng)過一個(gè)徹底的旋轉(zhuǎn)以后所造成的偏振為相對(duì)偏振儀的偏振軸傾斜一個(gè)-α+β角度的線性偏振并且穿過偏振儀的強(qiáng)度等于cos2(-α+β)。
圖3表示的是按照本發(fā)明的整體激光陀螺儀。它包括一個(gè)由至少三個(gè)鏡片11、12和13組成的光環(huán)腔1、固態(tài)放大介質(zhì)19和放在反向傳播光模式5和6的路徑上的光裝置，所述裝置由偏振元件7、按照反向傳播模式的偏振狀態(tài)體現(xiàn)可逆效應(yīng)的設(shè)備7以及也按照反向傳播模式的偏振狀態(tài)體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備8，其中所述裝置的至少一種效應(yīng)是可調(diào)的。在腔室的出口，兩種光模式5和6被送到測(cè)量光電二極管3。光束5和6的一部分被兩個(gè)半反射盤43轉(zhuǎn)向并送到光探測(cè)儀42。來自這兩個(gè)光探測(cè)儀的信號(hào)表示的是兩個(gè)反向傳播光模式5和6的光強(qiáng)度。所述信號(hào)被送到電子反饋單元4，其依據(jù)所收到信號(hào)的強(qiáng)度控制具備各種效應(yīng)的設(shè)備(圖中的虛線箭頭)。這將造成兩種反向傳播光束的偏振狀態(tài)的變化。因此，這些偏振狀態(tài)的變化在每次完成徹底的旋轉(zhuǎn)后模再次經(jīng)過偏振元件71時(shí)造成在反向傳播光模式5和6中不同的光損失。這些損失取決于輸出光束的強(qiáng)度。如果其中一個(gè)光束比另一個(gè)的強(qiáng)度高，其強(qiáng)度將會(huì)更被消弱以使輸出光束具備同樣的強(qiáng)度。因此，該雙向系統(tǒng)是強(qiáng)度—穩(wěn)定的。
有各種類型的偏振元件71。偏振元件可特別是線性偏振儀。還可通過對(duì)其中一個(gè)腔室鏡進(jìn)行處理而得到。還可能在具備不同指數(shù)的介質(zhì)的界面上運(yùn)用反射特性，例如通過在腔室中相對(duì)模式5和6的傳播方向傾斜布魯斯特角放置玻璃盤，或者通過在布魯斯特入射角處切削腔室中一個(gè)部件(特別是放大介質(zhì)或體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備)的一個(gè)面。
也存在各種方法以生產(chǎn)體現(xiàn)固定可逆效應(yīng)的光學(xué)設(shè)備。
特別的，能夠采用如圖4a和4b所示的非平面型腔室?？紤]到，具備至少四個(gè)鏡片11、12、13和14的腔室1，如圖4a所示，可把這些鏡片這樣放置使得反向傳播光束在一個(gè)平面(圖4a中的(X，Y)平面)中傳播。這種情況下，腔室不產(chǎn)生在其中傳播模式可逆旋轉(zhuǎn)。還可能這樣放置鏡片，從而反向傳播光束不再在平面中傳播，其中鏡片12沿Z軸移置，例如圖4a所示。這種情況下，已經(jīng)證明反向傳播光束的偏振方向當(dāng)光束已經(jīng)在腔室中進(jìn)行了徹底旋轉(zhuǎn)后已經(jīng)轉(zhuǎn)過取決于腔室?guī)缀涡螤畹慕嵌?A.C.Nilsson、E.K.Gustafson和R.L.Byer，Eigenpolarization Theory of Monolithic Nonplanar Ring Oscillators，IEEEJournal of Quantum Electronics25(4)，767-790(1989))。換言之，非平面腔室可對(duì)在其中傳播的模式引起可逆旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，該效應(yīng)固定而且有賴于腔室的幾何形狀。
還可能通過在腔室中增加線性偏振儀產(chǎn)生一種體現(xiàn)固定可逆效應(yīng)的設(shè)備，所述線性偏振儀的偏振方向與初始偏振元件的方向不相平行。這種情況下，可逆的旋轉(zhuǎn)角α等于偏振元件的兩軸所形成的角度。
最后，可以通過在腔室中增加雙折射光盤而獲得固定的可逆效應(yīng)。如果該盤為半波盤，則旋轉(zhuǎn)角α為半波盤的軸與偏振元件的軸所形成角的兩倍。當(dāng)然，該半波盤可以與腔中的鏡片構(gòu)成整體，以簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)。
為生產(chǎn)體現(xiàn)可變可逆效應(yīng)的設(shè)備，一種可能的方案在于采用體現(xiàn)可控雙折射的設(shè)備。為產(chǎn)生可控雙折射，可以采用·鉛、鑭、鋯和鈦陶瓷(PB1-xLaxZr1-yTiyO3)，中軸的定位及其雙折射均可通過用電極包圍并施加幾百伏的電場(chǎng)而在一個(gè)區(qū)域控制。這些陶瓷具備小于1mm的厚度，在紅外段附近發(fā)射、具備幾百伏的控制電壓、微秒數(shù)量級(jí)的響應(yīng)時(shí)間并與需要的確定的幾十kHz的帶寬一致；·厚度為大約1mm、具備大約100v控制電壓的液晶電子管；·Pockel單元，其相的遷移通過改變施加的電壓而改變(通常數(shù)量級(jí)1KV對(duì)應(yīng)獲得的相遷為π/2)。這些單元，例如由KDP或鋰鈮酸鹽制成，與用于激發(fā)激光的單元相同。這些單元具備1到2cm的厚度和零輸入損失。
為生產(chǎn)體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備，通常采用磁光設(shè)備，例如體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的設(shè)備，該設(shè)備欲操作需要產(chǎn)生磁場(chǎng)。這些法拉第效應(yīng)部件可特別的直接在腔鏡上通過磁光材料層來實(shí)現(xiàn)。如果需要獲得固定的不可逆效應(yīng)，需要做的是通過基于磁場(chǎng)的磁場(chǎng)電路而產(chǎn)生永久磁場(chǎng)。如果需要得到可變不可逆效應(yīng)，那么需要的是產(chǎn)生可變磁場(chǎng)，例如通過圍繞體現(xiàn)法拉第效應(yīng)材料的電感線圈。
當(dāng)介質(zhì)允許，把放大介質(zhì)用作法拉第效應(yīng)介質(zhì)是有利的，并因而大大簡(jiǎn)化了腔室的結(jié)構(gòu)。因此，釹—摻雜YAG，被用做用于在近紅外區(qū)運(yùn)行激光的放大介質(zhì)，由于這樣使用能夠產(chǎn)生足夠的法拉第效應(yīng)。這是因?yàn)槠銿ernet常數(shù)等于約103°T-1m-1，對(duì)厚度不超過幾厘米的穿行并在小于1特斯拉的磁場(chǎng)存在時(shí)足夠引發(fā)數(shù)量級(jí)1度的法拉第旋轉(zhuǎn)。
有利的，按照本發(fā)明的固態(tài)激光儀是由圖5所示的單體腔所制成。該結(jié)構(gòu)具有若干優(yōu)勢(shì)。
所述腔可在用作放大介質(zhì)的材料中直接制造。所述腔的面可用作腔鏡或支撐腔鏡的面，這使得生產(chǎn)操作更容易并確保更大的幾何穩(wěn)定性和對(duì)熱和振動(dòng)環(huán)境更好的抵抗力。圖6表示的是按照本發(fā)明采用這種腔室的激光陀螺儀一個(gè)實(shí)施例。鏡11、12和13直接設(shè)置在單體腔的面上。腔的材料19還用作放大介質(zhì)。該材料特別基于釹—摻雜YAG(釔鋁石榴石)。這種情況下，光泵激由二極管激光儀2進(jìn)行，其光束22通過鏡21集中在放大介質(zhì)中。
單體腔還可能為非平面的，如圖7所示?？赡嫘?yīng)因此直接由腔室的形狀獲得。該例中，腔室為具備兩個(gè)平行平面195和196并在其間為四個(gè)傾斜側(cè)面191、192、193和194的厚板。所述板的總形狀為截?cái)嗟男ㄐ?。?cè)面的傾斜度這樣選取而使得經(jīng)過腔室的光束遵循斷開的菱形，如圖7所示。
單體腔其它優(yōu)勢(shì)中的一個(gè)在于放大介質(zhì)19可用作體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的介質(zhì)。這種情況下，變化的磁場(chǎng)通過使電感線圈73圍繞單體腔彎曲而獲得，如圖8a所示。為改善法拉第效應(yīng)的效果，還可能僅沿腔室的一部分彎曲一個(gè)或多個(gè)電感線圈，如圖8b所示，從而磁場(chǎng)總是與傳播方向平行。這種情況下，腔室必須貫通以使得構(gòu)成傳導(dǎo)線圈的電線穿過。
固定的磁場(chǎng)可通過把永久磁鐵放在單體腔中獲得，如圖9所示。
還可能由光纖組成的腔室按照本發(fā)明來制造激光陀螺儀。圖10表示的是這一原理，其中腔室必要的包括環(huán)狀光纖，可能使得光纖部分涂抹以用作放大介質(zhì)。所有的纖維形狀可以想象，如單—芯纖維、雙—芯纖維(為促進(jìn)與光泵激激光耦合)或偏振—穩(wěn)持纖維。Y耦合儀101用于在兩個(gè)反向傳播光束5和6中選取。第三耦合儀101用于把光泵激光102注入光纖維。幾項(xiàng)技術(shù)，特別是那些為光遠(yuǎn)程通信開發(fā)的，使得這樣的耦合可以起作用(例如，V-槽技術(shù))。光泵激例如由泵二極管激光儀進(jìn)行，圖10中未表示。
可逆光學(xué)效應(yīng)可以輕易獲得，例如通過對(duì)纖維施加限制的機(jī)械變形，由矩形7象征性的表示。不可逆效應(yīng)還可通過法拉第效應(yīng)獲得，由矩形8象征性的表示。借助于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的發(fā)展，已有全—纖維法拉第分離器，具備輸入和輸出處理纖維—光聯(lián)結(jié)器。這些分離器包括不可逆部件，該部件旋轉(zhuǎn)線性偏振光的偏振方向45°。這些分離器可以進(jìn)行更改以進(jìn)行不同的不可逆旋轉(zhuǎn)，通過更改其幾何形狀或者施加在其上的磁場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種激光陀螺儀，包括至少一個(gè)由至少三個(gè)鏡片(11、12、13)組成的光環(huán)腔(1)、一個(gè)固態(tài)放大介質(zhì)(19)和一個(gè)反饋系統(tǒng)(4、42、43)，所述腔(1)和放大介質(zhì)(19)這樣布置而使得兩個(gè)反向傳播光模式(5、6)可在所示光腔內(nèi)一個(gè)方向與另一個(gè)方向相關(guān)的相反方向上傳播，所述反饋系統(tǒng)使得兩個(gè)反向傳播模式的強(qiáng)度保持幾乎相同，反饋系統(tǒng)包括在腔內(nèi)的至少一個(gè)由偏振元件(71)組成的光學(xué)裝置和體現(xiàn)按照相反方向傳播模式的偏振狀態(tài)運(yùn)行的不可逆效應(yīng)的設(shè)備(8)，其特征在于所述光學(xué)裝置還包括體現(xiàn)也按照相反方向傳播模式的偏振狀態(tài)運(yùn)行的可逆效應(yīng)的設(shè)備(7)，所述反饋系統(tǒng)包括用于控制所述設(shè)備(7)或(8)至少一個(gè)效應(yīng)的控制裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的偏振元件(71)為線性偏振儀。
3.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的偏振元件(71)為所述腔室的至少一個(gè)鏡片(11、12、13)。
4.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的偏振元件(71)為至少或者一個(gè)傾斜的玻璃盤，那么光模式(5、6)的傾斜角大約等于布魯斯特角，或者所述腔(7、8和19)中一個(gè)部件的以入射布魯斯特角切削的面中的一個(gè)。
5.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的當(dāng)體現(xiàn)可逆效應(yīng)的設(shè)備(7)為第二線性偏振儀時(shí)，其偏振方向與第一偏振儀的不平行，反饋系統(tǒng)由用于調(diào)整體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的裝置(8)的不可逆效應(yīng)的裝置組成。
6.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于當(dāng)所述的體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備(7)為雙折射光盤時(shí)，反饋系統(tǒng)包括用于調(diào)整體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的裝置(8)的不可逆效應(yīng)的裝置。
7.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于當(dāng)所述的光腔為非平面腔時(shí)，反饋系統(tǒng)由用于調(diào)整體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的裝置(8)的不可逆效應(yīng)的裝置組成。
8.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于當(dāng)所述的體現(xiàn)可逆效應(yīng)的設(shè)備(7)為體現(xiàn)電控制雙折射的光盤。
9.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于當(dāng)所述的體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備(8)由體現(xiàn)法拉第效應(yīng)并由永久磁鐵偏振的材料組成時(shí)，反饋系統(tǒng)由用于調(diào)整體現(xiàn)可逆效應(yīng)的設(shè)備(7)的可逆效應(yīng)的裝置組成。
10.如權(quán)利要求1至4中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的體現(xiàn)不可逆效應(yīng)的設(shè)備(8)由體現(xiàn)法拉第效應(yīng)和由被可調(diào)電流控制的電感線圈(73)偏振的材料組成。
11.如權(quán)利要求9或10所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的放大介質(zhì)和體現(xiàn)法拉第效應(yīng)的材料以相同材料制成。
12.如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的腔(1)為單體，所述反向傳播模式(5、6)在腔中僅在固體材料中傳播。
13.如前述權(quán)利要求中一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的放大介質(zhì)(19)基于釹-摻雜YAG(釔鋁石榴石)。
14.如前述權(quán)利要求中任一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的腔(1)是由至少一個(gè)二極管激光器泵激的。
15.如權(quán)利要求1至11中任一個(gè)所述的激光陀螺儀，其特征在于所述的腔(1)包括至少至少一個(gè)環(huán)形的光纖維(100)，其包括用于所述反向傳播激光器和至少一個(gè)光學(xué)泵激光束(102)的進(jìn)入和離開的光學(xué)耦合器(101)。
全文摘要
固態(tài)激光陀螺儀的主要問題在于光腔本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。按照本發(fā)明，這種不穩(wěn)定性可通過采用控制進(jìn)入腔室(1)的有賴于傳播方向的光損失而減小，這一點(diǎn)通過下述方式來進(jìn)行，提供一個(gè)光學(xué)單元，包括一個(gè)偏振單元；具備可逆效應(yīng)的第一單元(7)，其按照波的偏振來運(yùn)行；以及具備不可逆效應(yīng)的第二單元(8)，其也按照波的偏振來運(yùn)行，其中所述的兩種效應(yīng)的至少一種是可變化的，而且所述損失可電子地進(jìn)行控制以遵循反向傳播效應(yīng)之間地強(qiáng)度差。揭示了幾種或者使用固定可逆效應(yīng)和可變的不可逆效應(yīng)或者相反的裝置。所述裝置適用于單體腔激光器尤其是釹－摻雜YAG型激光器以及纖維腔激光器。
文檔編號(hào)H01S3/083GK1764825SQ200480008008
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2004年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月25日
發(fā)明者S·施瓦茲, G·福格尼特, J-P·珀科勒 申請(qǐng)人:泰勒斯公司