專利名稱：具有垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體固態(tài)激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域是尤其適用于慣性控制系統(tǒng)中的固態(tài)激光陀螺儀。這種裝置可用于例如航空應(yīng)用中。
大約三十年前出現(xiàn)的激光陀螺儀現(xiàn)在已經(jīng)被普遍商業(yè)化并被廣泛使用。它的操作原理是基于Sagnac效應(yīng)，該效應(yīng)引起在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的雙向環(huán)形激光腔內(nèi)反向傳播的兩個發(fā)射光學(xué)模式——被稱為反向傳輸模式——之間的頻率差Δv。通常地，由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動引起的兩個光學(xué)模式間的頻率差Δv等于Δv＝4AΩ/λLL和A分別是腔的長度和面積；λ是不具有Sagnac效應(yīng)的發(fā)射激光的波長；Ω是裝配體的轉(zhuǎn)速。對兩束發(fā)射光的光差進(jìn)行光譜分析可以獲得Δv的檢測量，通過該檢測量能夠以很高的精度確定Ω的值。
在標(biāo)準(zhǔn)激光陀螺儀中，增益介質(zhì)是由氦和氖原子按適當(dāng)比例構(gòu)成的混合氣體。然而，在激光陀螺儀的生產(chǎn)過程中，增益介質(zhì)的氣體性質(zhì)成為技術(shù)復(fù)雜性的根源，尤其是對高純度氣體的要求以及在腔的使用過程中特別由于氣體泄漏和用來建立粒子倒轉(zhuǎn)的高壓電極的衰變引起的腔器皿的早熟。
可以用例如基于摻有稀土——例如釹、鉺或鐿——離子的晶體的增益介質(zhì)代替氦/氖混合氣體來制造在可見光或近紅外區(qū)工作的固態(tài)激光陀螺儀，則由在近紅外區(qū)工作的激光二極管產(chǎn)生光泵浦。這樣，與增益介質(zhì)的氣體混合物有關(guān)的固有問題實(shí)際上就被排除了。
也可以利用光泵浦或電泵浦半導(dǎo)體介質(zhì)來制造固態(tài)激光陀螺儀?，F(xiàn)在后一種類型的激光陀螺儀已經(jīng)制成單片集成電路并且具有很小的尺寸。但是，一方面它們并不具有可以與氣體激光陀螺儀相比的精度，另一方面，無法用光學(xué)方法去除低轉(zhuǎn)速下的頻率耦合——一種被稱為盲區(qū)的現(xiàn)象，以及補(bǔ)償熱量引起的噪音現(xiàn)象。
本發(fā)明的一個主題是含有具有外部腔的半導(dǎo)體介質(zhì)的激光陀螺儀，其由離散元件組合構(gòu)成，因此可以制成大的腔，還可以同時獲得期望的精度并在腔內(nèi)插入光學(xué)元件。
更確切地，本發(fā)明的主題是包括至少一個光學(xué)環(huán)形腔和一個固態(tài)增益介質(zhì)的激光陀螺儀，固態(tài)增益介質(zhì)的布置使平均波長為λ0的兩束光波可以在腔內(nèi)反向傳播，腔的特征在于它的尺寸顯著大于增益介質(zhì)的尺寸，并且該增益介質(zhì)是平均光學(xué)指數(shù)為n、具有包含堆疊的互相平行的平面增益區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)。
有利地，半導(dǎo)體介質(zhì)包括一位于增益區(qū)下并與該區(qū)域平行的平面鏡，這樣，在腔內(nèi)傳播的兩束光波在穿過增益區(qū)后被該平面鏡反射。有利地，在腔內(nèi)傳播的光波被平面鏡以傾斜入射角i反射，平面鏡是經(jīng)過最優(yōu)化后在平均波長為λ0和傾斜入射角為i的情況下具有完全反射的Bragg堆疊，增益區(qū)的堆疊包括對與該鏡面相對的表面進(jìn)行平均波長為λ0、傾斜入射角為i的抗反射處理。
有利地，增益介質(zhì)的設(shè)計(jì)使通過在半導(dǎo)體介質(zhì)內(nèi)傳播的光波產(chǎn)生的干涉條紋的強(qiáng)度的最大值位于增益區(qū)平面上，則增益區(qū)被以 的間距彼此分開。
有利地，激光陀螺儀包括用于檢驗(yàn)反向傳輸波強(qiáng)度的光電檢測裝置，該波的強(qiáng)度調(diào)制構(gòu)成了激光陀螺儀的角速度或角位移檢測信號。
本發(fā)明的另一主題是包括至少一個如本發(fā)明所述的激光陀螺儀的角度或角速度檢測系統(tǒng)。
有利地，檢測系統(tǒng)的激光陀螺儀的腔的方位布置使其可以在三個獨(dú)立方向進(jìn)行檢測。
通過閱讀如下非限制性實(shí)例和參考附圖，可以更清楚地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)也將顯而易見，如圖

圖1顯示了如本發(fā)明所述的激光陀螺儀；圖2顯示了帶狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光介質(zhì)的幾何形狀；圖3顯示了垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光介質(zhì)的幾何形狀；圖4和5顯示了在一結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的由入射波及其經(jīng)過位于該結(jié)構(gòu)下的鏡面反射后的反射波構(gòu)成的固定波的幾何形態(tài)；圖6顯示了圖4中入射波和反射波的偏振狀態(tài)；
圖7顯示了在一結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的由兩束以相反方向傳播的入射波及其經(jīng)過位于該結(jié)構(gòu)下的鏡面反射后的反射波構(gòu)成的固定波的幾何形態(tài)；圖8顯示了圖7中所示固定波的強(qiáng)度變化。
圖1是如本發(fā)明所述的激光陀螺儀的基本原理圖。其包括●由第一種材料制成的腔1，其包括幾個偏轉(zhuǎn)鏡3和4以及一個部分反射鏡5；●半導(dǎo)體增益介質(zhì)2；●任選地，用于例如消除盲區(qū)或產(chǎn)生熱量補(bǔ)償?shù)墓鈱W(xué)元件6和7(虛線所示)；●使兩束光波可以在腔內(nèi)以相反方向傳播的裝配體。在圖1中此兩束波由雙線表示，波穿過位于腔內(nèi)的不同光學(xué)元件；●用于計(jì)算角度參數(shù)的光電檢測設(shè)備8(虛線所示)，該角度參數(shù)通過來自部分反射鏡5的反向傳輸光波之間的干涉條紋測得。
與所用材料以及工作波長無關(guān)，與半導(dǎo)體介質(zhì)相關(guān)的主要選擇是●它的結(jié)構(gòu)；和●它在傳輸或反射中的工作模式。
半導(dǎo)體介質(zhì)主要有兩種結(jié)構(gòu)●帶狀形式圖2顯示了這樣的結(jié)構(gòu)2?；顒訁^(qū)域21中連續(xù)產(chǎn)生被激發(fā)的發(fā)射。光束22由側(cè)面23之一發(fā)出。此結(jié)構(gòu)中傳播的光學(xué)模式22可以是多模式的。在此例中，光束的幾何形狀是非對稱的，如圖2所示。模式的高對應(yīng)其沿AR軸——稱為快軸——的尺寸，通常是幾微米，它的寬對應(yīng)其沿AL軸——稱為慢軸——的尺寸，是幾十微米。此結(jié)構(gòu)中傳播的光學(xué)模式也可以是單模式的。則該模式是對稱的并且該結(jié)構(gòu)被稱為橫向單模式結(jié)構(gòu)。當(dāng)用于陀螺儀時，橫向單模式帶狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光介質(zhì)的使用非常復(fù)雜。這是因?yàn)榇四Ｊ皆趲钋粌?nèi)的直徑必須是幾微米，在腔外的直徑必須是幾十微米。模式在活動區(qū)內(nèi)的傳播還必須被引導(dǎo)。非橫向單模式帶狀結(jié)構(gòu)的使用也不簡單，因?yàn)榇四Ｊ匠艘诼S被聚焦和引導(dǎo)外，還必須高度橢圓化；●垂直結(jié)構(gòu)圖3顯示了這樣的結(jié)構(gòu)，其中活動介質(zhì)是不連續(xù)的。該結(jié)構(gòu)由堆疊的、厚度通常為十納米左右的薄的活動區(qū)域24構(gòu)成，被厚度25隔開的區(qū)域厚度為λ/2n。光由上表面26或下表面27發(fā)出，且在此種腔內(nèi)傳播的模式具有旋轉(zhuǎn)對稱性。當(dāng)激光器完全是單片集成電路時，該結(jié)構(gòu)被稱為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)結(jié)構(gòu)，則增益區(qū)被夾在兩個Bragg堆疊之間，一個具有完全反射，另一個是輸出鏡，具有0.1％左右的透射率。當(dāng)輸出鏡是離散元件時，這些腔被稱為垂直外腔面發(fā)射激光器(VECSEL)結(jié)構(gòu)。圖3只顯示了堆疊的活動區(qū)域。完全反射鏡可以是Bragg反射鏡或者附加于此結(jié)構(gòu)上的介質(zhì)鏡。對與此鏡相對的結(jié)構(gòu)的表面所作的處理可能包括抗反射處理。也可以通過調(diào)節(jié)它的反射率來促進(jìn)這種結(jié)構(gòu)的單模發(fā)射。
目前垂直結(jié)構(gòu)更適合應(yīng)用于陀螺儀，因?yàn)樵鲆鎱^(qū)域的直徑可能是一百微米，接近于在腔內(nèi)傳播的光束的尺寸。垂直結(jié)構(gòu)還允許非引導(dǎo)光的傳播。
然而，這種垂直結(jié)構(gòu)不能簡單地用于在激光陀螺儀中傳輸。設(shè)想兩束反向傳輸波，其電場矢量由 和 表示，其中 k通常代表波矢量，ω是它的角頻率，是它的初始相位。+、-符號表示波的傳播方向。
在激光陀螺儀的腔內(nèi)，兩波干涉產(chǎn)生的合電場Et等于 對應(yīng)的合場強(qiáng)It等于 因此，對于腔內(nèi)固定一點(diǎn)，其場強(qiáng)隨時間以角頻率(ω+-ω-)在最大和最小值之間變化，因此好像波在相對此點(diǎn)運(yùn)動。如果將一個處于傳輸狀態(tài)中的垂直結(jié)構(gòu)放在腔內(nèi)，場強(qiáng)最大值可能會在增益區(qū)上疊加。在旋轉(zhuǎn)作用下，固定波不再能自由運(yùn)動。這樣得到的“引入增益的頻率鎖定”使設(shè)備不能再作為陀螺儀使用。
讓這些垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行反射可以克服上述缺陷。
圖4顯示了處于反射狀態(tài)的垂直結(jié)構(gòu)2的截面圖。為簡化問題，假設(shè)此結(jié)構(gòu)類似于光學(xué)指數(shù)為n的活動介質(zhì)28，介質(zhì)上安放了鏡29。當(dāng)此結(jié)構(gòu)被一束光照亮?xí)r，入射波30和被鏡29反射的波31在活動介質(zhì)28中干涉。干涉區(qū)32在圖4中用三角形陰影區(qū)顯示。與入射波相關(guān)的參數(shù)帶有下標(biāo)+，與反射波相關(guān)的參數(shù)帶有下標(biāo)+r。同樣，i代表入射角。
在圖4的(O，Ox，Oy)參考坐標(biāo)系中，活動介質(zhì)中的入射波和反射波的傳遞矢量 和 分別表示為k→+=2πλ0nsin(i)cos(i)]]>和k→+r=2πλ0n-sin(i)cos(i)]]>代表入射波的場 為 如果反射率為 代表被反射的入射波的場 為 在兩種波疊加的區(qū)域，點(diǎn) 處的合電場 為 通常等于 的合場強(qiáng)It等于 或者，將波矢量用波長λ0的函數(shù)代替 點(diǎn)積 由入射波的偏振狀態(tài)確定。圖6代表入射波和反射波的基本可能的線性偏振狀態(tài)，根據(jù)波的電場表示矢量是位于入射平面內(nèi)還是垂直于該平面，這些狀態(tài)被稱為平行狀態(tài)或垂直狀態(tài)。圖6中，這些矢量由E+//，E+r//，E+⊥和E+r⊥表示。
如果波處于平行偏振狀態(tài)，點(diǎn)積 的值等于|E→0||E→0+r|cos(π-2i),]]>如果波處于垂直偏振狀態(tài)，點(diǎn)積 的值等于 為簡化表達(dá)，選擇實(shí)數(shù) 和 值，強(qiáng)度反射率R選擇為1。則合場強(qiáng)改寫為
對應(yīng)場強(qiáng)It的干涉條紋是固定的。它由一組與鏡面平行、間距為 的等距平面干涉條紋構(gòu)成。
圖5顯示了參考坐標(biāo)系(O，Ox，Oy，Oz)中干涉條紋33的結(jié)構(gòu)。每個平行六面體表示場強(qiáng)最大值的位置。
圖7顯示了處于反射狀態(tài)的垂直結(jié)構(gòu)2的截面圖。為簡化問題，假設(shè)此結(jié)構(gòu)類似于光學(xué)指數(shù)為n的活動介質(zhì)28，介質(zhì)上安放了鏡29。當(dāng)此結(jié)構(gòu)被兩束不同頻率反向傳輸?shù)墓庹樟習(xí)r，四束波30、31、35和36互相干涉●第一束入射光波30以第一個方向傳播，此方向由與前面相同的符號+表示，此波具有場 ●對應(yīng)第一束入射波的反射波31的場為 ●第二束入射波35以相反方向傳播，傳播方向由-表示，其場等于 ●對應(yīng)第二束入射波的反射波36，其場為 則合場 可以表示為 與前面相同，為簡化計(jì)算，認(rèn)為電場的模是實(shí)數(shù)并相等，強(qiáng)度反射率R取為1。則合場可以寫為
因?yàn)閗→+=-2πλ0nsin(i)cos(i)]]>和k→-=-k→+r=2πλ0nsin(i)-cos(i),]]>所以k→++k→-=-4πnλ00cos(i),k→+-k→-=-4πnλ0sin(i)0]]>因此， 從合場表達(dá)式可以計(jì)算合場強(qiáng)Itotal，它等于 因此，當(dāng)兩束波在光學(xué)指數(shù)為n的介質(zhì)中傳播時，如在激光陀螺儀中雙向傳播的情況，最大場強(qiáng)沿平行于鏡面的固定直線分布。圖8顯示了干涉條紋。
如果介質(zhì)由堆疊的薄的活動區(qū)域構(gòu)成，通過使這些直線與活動區(qū)一致，可以使激光器的工作最優(yōu)化。
實(shí)際上沿著這些直線還有一束傳遞波，但是它只引起增益飽和的微小調(diào)節(jié)。這是因?yàn)樵诟缮婀馐型ǔ４嬖诤芏鄠€最大值。傳遞波最多引起一個最大值的變化，因此此變化可以忽略。
下面舉一例，波長λ0為1微米、平均入射角i為45度、平均光學(xué)指數(shù)n為3，在鏡面內(nèi)沿OX方向運(yùn)動的傳遞波的兩個最大值被間距d隔開，d等于
d=λ02nsin(i)≈λ02nx0.23≈0.7μm]]>因此，平均直徑為100微米的光束有140個最大值。這樣，不考慮增強(qiáng)了光束中心相對其邊緣的卷曲的模式的高斯輪廓時，增益調(diào)節(jié)最多等于一百四十分之一，即0.7％。此很低的調(diào)節(jié)不包括增益鎖定。它包括對可有利地作為可讀信號的輸出功率的微小調(diào)節(jié)。
為了最優(yōu)化此操作，完全反射鏡是Bragg堆疊或者附加的根據(jù)期望入射角進(jìn)行了最優(yōu)化的介質(zhì)鏡。該堆疊或該鏡可以獲得接近100％的反射率。
位于該堆疊頂部的增益區(qū)的位置必須正確。為此，它們的偏航角是 并且第一區(qū)域相對該層的位置被最優(yōu)化以考慮到可能的固定相位的偏移，這樣，所有的增益區(qū)都與平行于此結(jié)構(gòu)平面的強(qiáng)度為最大值的直線對應(yīng)。
在輸出面上，如果希望在增益區(qū)內(nèi)受益于可以增加激光陀螺儀的腔可見的有效增益的次共振腔效應(yīng)，可以制造另一具有較大或較小反射率的堆疊。如果使用了泵浦光(pump beam)，該泵浦光束通過的堆疊在該泵浦光波長下也應(yīng)具有抗反射能力。
還應(yīng)指出的是增益的非均勻飽和——也稱為“空間燒孔效應(yīng)”——產(chǎn)生多模發(fā)射的可能性被減小。這是因?yàn)楦缮鏃l紋的周期以波長為函數(shù)進(jìn)行微小變化。這樣，對于發(fā)出一微米波而增益寬度只有一納米的半導(dǎo)體來說，偏航角的變化最多為0.1％。因此，使用非飽和增益區(qū)域的唯一方法是波長具有顯著不同，而由于增益的光譜寬度，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種激光陀螺儀，其包括至少一個光學(xué)環(huán)形腔(1)和一個固態(tài)增益介質(zhì)(2)，固態(tài)增益介質(zhì)的布置使兩束平均波長為λ0的光波能夠在腔中以相反方向傳播，該腔的特征在于它的尺寸顯著大于增益介質(zhì)的尺寸并且該增益介質(zhì)是平均光學(xué)指數(shù)為n、具有包含堆疊的互相平行的平面增益區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體介質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于半導(dǎo)體介質(zhì)包括一個位于增益區(qū)下與該區(qū)域平行的平面鏡(29)，以使在腔內(nèi)傳播的兩束光波在通過增益區(qū)后被該平面鏡反射。
3.如權(quán)利要求2所述的激光陀螺儀，其特征在于在腔內(nèi)傳播的光波被平面鏡(29)以傾斜入射角i反射。
4.如權(quán)利要求3所述的激光陀螺儀，其特征在于平面鏡(29)是經(jīng)過最優(yōu)化后在平均波長為λ0和傾斜入射角為i的情況下具有完全反射的Bragg堆疊。
5.如權(quán)利要求3所述的激光陀螺儀，其特征在于平面鏡(29)附加于增益區(qū)下并且其設(shè)計(jì)使其在平均波長λ0、傾斜入射角i的情況下具有完全反射。
6.如權(quán)利要求3至5之一所述的激光陀螺儀，其特征在于增益區(qū)的堆疊包括對與該鏡面相對的平面進(jìn)行平均波長為λ0、傾斜入射角為i的光學(xué)處理。
7.如權(quán)利要求6所述的激光陀螺儀，其特征在于增益區(qū)的堆疊包括對與該鏡面相對的平面進(jìn)行平均波長為λ0、傾斜入射角為i的抗反射處理。
8.如權(quán)利要求3至7之一所述的激光陀螺儀，其特征在于增益介質(zhì)的設(shè)計(jì)使在半導(dǎo)體介質(zhì)內(nèi)傳播的光波產(chǎn)生的干涉條紋的強(qiáng)度的最大值位于增益區(qū)平面內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的激光陀螺儀，其特征在于增益區(qū)以 的間距被彼此隔開。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的激光陀螺儀，其特征在于其包括用于檢測傳輸波強(qiáng)度的光電檢測裝置，該波的強(qiáng)度調(diào)制構(gòu)成了激光陀螺儀的角速度或角位移檢測信號。
11.一種角度或角速度檢測系統(tǒng)，其特征在于其包括至少一個如以上權(quán)利要求之一所述的激光陀螺儀。
12.如權(quán)利要求11所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于其包括三個激光陀螺儀，這些激光陀螺儀的腔的方位布置使其可以在三個獨(dú)立方向進(jìn)行檢測。
全文摘要
本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域是尤其適用于慣性控制系統(tǒng)中的固態(tài)激光陀螺儀。這種裝置可用于例如航空應(yīng)用中?？梢岳霉饣螂姳闷职雽?dǎo)體介質(zhì)來制造固態(tài)激光陀螺儀?，F(xiàn)在后一種類型的激光陀螺儀已經(jīng)制成單片集成電路并具有很小的尺寸。但一方面它們并不具有可以與氣體激光陀螺儀相比的精度，另一方面無法用光學(xué)方法去除低轉(zhuǎn)速下的頻率耦合或溫度漂移。本發(fā)明的一個主題是含有半導(dǎo)體介質(zhì)并由離散元件組合構(gòu)成的激光陀螺儀，這樣可以制成大的腔以獲得期望的精度。更確切地，此激光陀螺儀包括一個光學(xué)環(huán)形腔和一個具有為垂直結(jié)構(gòu)的外部腔的半導(dǎo)體增益介質(zhì)，該垂直結(jié)構(gòu)包括一系列互相平行的平面增益區(qū)，腔的尺寸顯著大于增益介質(zhì)的尺寸，該增益介質(zhì)用于反射。
文檔編號H01S5/14GK101061369SQ200580039989
公開日2007年10月24日 申請日期2005年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者G·弗格內(nèi)特, J－P·波霍拉, S·施瓦茨 申請人:泰勒斯公司