CN101169324A - 光子注入饱和吸收锁模型光纤激光陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学陀螺，具体涉及光纤激光陀螺。它由超窄线宽光纤锁模激光器、波分复用器、光纤Sagnac环路、环行器、偏振器及探测器、差频信号处理电路组成，其特征在于采用由带尾纤的半导体泵浦激光器、隔离器、波分复用器、增益光纤构成的具有Sagnac效应的有源光纤环行激光器；两套由光纤耦合器、环行器、超窄线宽光子注入光纤锁模装置、偏振器及探测器构成的选模滤波输出系统，形成光纤激光陀螺光路方案。本发明引入的光子注入光纤锁模技术可以使陀螺稳定工作在超窄线宽单纵模激光状态，从而获得角速率的高分辨率探测结果；环内顺、逆时针方向传输的激光波长具有微小差异，该差异能自动消除激光陀螺的锁区效应。本发明作为高精度陀螺可以应用于航空、航天、航海与陆用武器的惯性测量单元。

Description

光子注入饱和吸收锁模型光纤激光陀螺

技术领域：

本发明涉及光学陀螺，尤其涉及光纤激光陀螺。

背景技术：

惯性导航单元(INS)是实现自动导航、定位定向、稳定系统的关键部件，陀螺仪是其中测量角速率的核心器件。光学陀螺无转动部件，不受地球引力影响，可以做到高精度或大的动态范围，抗振动性能好，受电磁场影响小，无需预热，启动时间短，捷联便利等优点，同时具有体积小、成本低、其综合性能比机械陀螺，静电陀螺、磁电陀螺等具有更多的优势。光学陀螺以光纤陀螺和激光陀螺为主要代表，近十年得到快速发展，成为世界陀螺市场上的主流产品。而二者相比，激光陀螺则因其谐振性而拥有更大的动态范围和测量精度，但激光陀螺的传感元件为气体激光器，气体易泄漏，因而光纤陀螺较之激光陀螺寿命更长。同时，激光陀螺的工艺复杂，成本比光纤陀螺高。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种光纤激光陀螺。光纤激光陀螺综合了光纤陀螺与激光陀螺的优点，利用光纤的固态性能和激光器的谐振特点，在此基础上发展出来的新型光学陀螺，有希望综合提高陀螺的整体性能，具有动态范围大，精度高，抗振动冲击性能好，寿命长等特点。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：由几大光学模块组成：光纤有源敏感头、超窄线宽光学滤波器和相干输出部分；光纤有源敏感头由带尾纤的半导体泵浦激光器、偏振器、波分复用器和掺铒增益光纤构成具有Sagnac效应的有源光纤环行激光器；超窄线宽光学滤波器由耦合器、环行器、保偏掺铒增益光纤和光纤Bragg光栅构成；相干输出部分由耦合器和探测器组成。信号处理系统仍然采用传统的差频电信号处理方式。由光纤环形激光器和两套光子注入饱和吸收锁模激光模块构成的光纤激光陀螺，光纤环形激光器由带尾纤的半导体泵浦激光器、激光器驱动电路、偏振器、波分复用器和高浓度掺铒增益光纤组成环行腔，采用的饱和吸收锁模激光模块由光纤耦合器、环行器连接低掺铒浓度的保偏增益光纤和Bragg光纤光栅组成线形腔；

本发明的有益效果：

光纤激光陀螺的理论精度与传统He-Ne激光陀螺同级，可以达到0.001/h惯导级水平，但没有气体激光陀螺制作时的超级工艺难度，如镀制99.999％的高反射膜和密封技术等。光纤激光陀螺的工艺制作如同光纤陀螺，通过并不复杂的光纤熔接和结构装配技术，即可以获得激光陀螺的高精度，由于光纤激光陀螺为固态激光介质，没有气体泄漏问题，寿命长，可靠性好。与光纤陀螺相比，由于光纤激光陀螺的工作原理为谐振型，在同样的精度要求下，工作环的掺铒光纤长度只需十几米，而光纤陀螺则需要2-4km的保偏光纤，短光纤缠绕制成环可以具备以下优点：1)应力小，受温度场变化的影响小；2)体积小，3)光纤环的成本低，可使光纤激光陀螺的总成本远远低于光纤陀螺和激光陀螺；再者，光纤激光陀螺光学系统中需要电驱动的器件只有半导体泵浦激光器，因此光纤激光陀螺的功耗远小于激光陀螺，也略小于光纤陀螺。

其中引入的光子注入饱和吸收光纤锁模技术可以使陀螺稳定工作在超窄线宽单纵模激光状态，从而获得角速率高分辨率的探测结果；双光路锁模结构使得环内顺、逆时针方向传输的激光波长具有微小差异，该差异能自动消除激光陀螺的锁区效应。引入的光子注入光纤锁模技术可以使陀螺稳定工作在超窄线宽单纵模激光状态，从而获得角速率的高分辨率探测结果；环内顺、逆时针方向传输的激光波长具有微小差异，该差异能自动消除激光陀螺的零位闭锁效应。

附图说明：

图1为本发明的组成与工作原理示意图

图2为红外波段铒离子的吸收光谱和发射光谱

图3为光纤激光陀螺的结构简图

图中：1-半导体泵浦激光器，2-波分复用器，3-偏振器，4-光纤耦合器，5-环行器，6-低掺铒浓度的保偏增益光纤，7-Bragg光纤光栅，8-高浓度掺铒增益光纤，9-保偏光纤耦合器，10-光电探测器，11-信号处理单元，12-光源驱动电路。

具体实施方式：

本发明的工作过程如图1和图3所示：

掺铒增益光纤(8)受到由波分复用器(2)输入的980nm波长泵浦光的激励产生中心波长为1550nm、谱线宽度为40nm的宽带激光，在光纤环形谐振腔内激光分别沿顺时针(CW)方向和逆时针(CCW)方向传输。当物体以某一角速率Ω旋转时，环内顺时针和逆时针方向传输的两束激光在Sagnac效应的作用下产生方向相反的频移Δv，通过一个保偏光纤耦合器(9)的耦合使两输出激光信号间产生拍频，接入光电探测器(10)进行差频信号检测，解算出物体的旋转角速率值Ω。光纤激光陀螺角速率的测量精度与激光谱线的锐度成正比：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δv}=\sqrt{\mathrm{\Δ}{v}_0^2-\mathrm{\Δ}{v}_L^2}\\ \mathrm{\Δ}{v}_0=(1+\mathrm{\ξ})\frac{D}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Ω}+\mathrm{\Δ}{v}_d\\ \left|\mathrm{\Δv}\right|>{\mathrm{\Δv}}_L\end{array}\right.$

式中，Δv₀为陀螺输出信号频率的实际的改变量；ξ为由于各种原因造成的标度因数的修正项；Δv_L为最小频差；Δv_d为陀螺的零位漂移，可能由环境温度梯度等原因引起，可正可负。当|Δv₀|≤Δv_L时，Δv＝0。与Δv_L对应的最小转速为：

${\mathrm{\Ω}}_L=\frac{\mathrm{\λ}}{D(1+\mathrm{\ξ})}{\mathrm{\Δv}}_L$

只有做到窄的激光线宽，陀螺才能获得高的测量精度。本发明采用的超窄线宽光学滤波装置，其基本工作原理为在增益线形腔内发生光子注入饱和吸收被动锁模得到窄线宽序列，调节泵浦功率参数加剧模式竞争增大了基模与边模间的抑制比，从而获得单模。

具体的过程为：

由光纤耦合器(4)、环行器(5)将环行腔内沿正反时针不同方向传输的1550nm的宽光谱信号激光耦合进各自对应的光学滤波装置中，信号激光在由环行器(5)和光纤Bragg光纤光栅(7)作为反射镜的直腔内传输形成驻波，在腔内的增益介质——保偏掺铒增益光纤(6)中引起吸收，吸收改变了折射率，使得沿光纤轴向发生与驻波光强分布一致的折射率周期性调制，吸收饱和产生空间烧孔，构成了瞬态光纤光栅，该光栅对传输中的信号激光进行梳状窄带滤波，在掺铒增益光纤(6)中产生饱和吸收形成空间锁模，将工作波长锁定，获得稳定的线宽为≤100Hz的超窄带单纵模激光输出。

用数学方式定量描述光子注入饱和吸收锁模滤波的原理。

在光纤的柱坐标系中，入射到光学滤波装置的光波电场矢量为

$\stackrel{\→}{E}(r,\mathrm{\φ},z,t)=\stackrel{\→}{E}(r,\mathrm{\φ})e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{\βz})}$

其中，光波在光纤横截面上的能量分布为E(r，φ)，r为径向变量，φ为光波电矢量的角度变量，ω为光波频率，t为传输时间，β为光波的传输常数，z为光纤的轴向位置变量。代入Helmholz方程，得到在远离截止状态下纤芯中单偏基模传输光波的电场解为：

$E={\mathrm{AJ}}_0\left(\frac{2.405}{a}r\right)\·e^{-\mathrm{j\βz}}$ 其中，A为常数，a为光纤纤芯半径。

光纤中的波函数可以写成：

其中Φ为初始相位。在未泵浦掺铒光纤(6)和Bragg光纤光栅(7)构成的线行腔中，入射光和反射光互相干涉，形成驻波，其表达式为：

这样光强沿轴向将呈周期性余弦分布。

图2为红外波段铒离子的吸收光谱和发射光谱。从图中可以看到，铒离子在1550nm波段附近存在强烈的吸收。当1550nm的信号光通过掺铒光纤(6)时，对应着基态到亚稳态⁴F_13/2→⁴F_15/2能级间的吸收跃迁，形成二能级结构系统。根据受激吸收理论，受激吸收跃迁几率W₁₂＝B₁₂ρ_v，这里B₁₂为爱因斯坦受激吸收系数，ρv为激励场单位频率的能量密度；由于光强的周期性变化，反转粒子数也将随着空间轴向位置不同产生周期性分布变化。即在线行腔驻波的波峰波谷处，吸收系数不同，反转粒子数Δn也不同，形成空间烧孔效应，对掺铒光纤形成折射率的周期性调制，介质的折射率η与反转粒子数的关系为： $\mathrm{\η}=1-\left(\frac{{\mathrm{\Δne}}^2}{{16\mathrm{\π}}^{2}m{v}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)\frac{v_0-v}{{(v-v_0)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ}{v}_H}{2}\right)}^2}$

可见，反转粒子数的数目将影响折射率的分布，从而形成瞬态布喇格光栅。

研究瞬态光栅的性质，光栅的周期为Λ＝λ₀/n_eff，其中λ₀为谐振波长，n_eff为有效折射率。假设光纤的折射率调制沿轴向是均匀的，则瞬态布喇格光栅的反射率和半高带宽(FWHM)可以表示为：

$R_g\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{K\&CenterDot;K^{*}\sin h^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)}{S^2\cos h^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)+{\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}2\right)}^2\sin h^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)}\\ K\&CenterDot;K^{*}\&GreaterEqual;{\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}2\right)}^2\\ \frac{K\&CenterDot;K^{*}{\sin }^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)}{S^2{\cos }^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)+{\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}2\right)}^2{\sin }^2\left({\mathrm{SL}}_g\right)}\\ K\&CenterDot;K^{*}<{\left(\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&beta;}}^{\&prime;}2\right)}^2\end{array}\right.$

Δλ＝λ₂ ^B/(2n_effL_eff)

Δλ＝λ² _B/(2n_effL_eff)

式中Δβ＝β_i-βr-2π/Λ＝4πn_eff(1/λ-1/λ₀)；K＝πδn/λ_B，为光纤光栅(7)中的相位匹配因子；δn为折射率调制深度；λ_B＝2n_eff A＝λ₀，为布喇格波长(即Δβ＝0时对应的光波波长)；Lg为饱和吸收体的长度；耦合系数 $S=\sqrt{k\&CenterDot;k^{*}-{(\mathrm{\&Delta;\&beta;}/2)}^2},$ n_eff为有效折射率，L_eff在弱导情况下为光纤长度。对非弱导型光纤，L_eff＝π/(2K)，当调制深度δn较大时，有

Δλ＝2δ_nΛ

由此可知，饱和吸收体的反射带宽随折射率调制深度的增加而增加，在调制深度δn较大的情况下呈线性，光栅的反射带宽随光栅长度增加而减少，并趋于饱和。

经过滤波后，该窄带激光通过环行器(5)重新回到光纤环中，使线形腔与环行腔连成一体谐振腔，当物体以某一角速率Ω旋转时，在Sagnac效应的作用下环内沿顺时针和逆时针传播的光产生频移Δv，分别在两个线形腔的腔镜端输出，通过一个光纤耦合器(9)的耦合使两输出激光信号间产生拍频，接入信号处理单元(11)进行差频信号检测，解算出物体的旋转角速率值Ω。超窄线宽激光使得频移的分辨率得到提高，也就提高了陀螺的角速率测量精度。

本发明图3中采用的两套超窄线宽光学滤波装置，在内部参数上有微小差异，使两个滤波器的中心波长分别为λ₁和λ₂，二者的差频在环行腔中形成初始零偏，该零偏值被设计调整到刚刚能覆盖激光陀螺的锁区频率范围，这样可以自动消除激光陀螺的锁区效应。

本发明作为高精度陀螺，应用领域为航空、航天、航海与陆用武器的惯导和陀螺罗经的场合，如卫星、飞机、舰船、汽车和各类航弹、导弹的自主导航、航姿控制、精确对准、仪器的稳瞄稳像和精密自行控制系统等，大大提高了武器的精确打击和自动控制能力，提高了战争的现代化程度。它在民用领域如深空探测：航天器回收仓的导航；地质勘探与野外施工测量：指北仪、定位定向系统；民航飞机、车辆、机器人导航、精密探测仪器的稳定系统，铁路、公路检测等方面。

从图3中可以看到，有源光纤环行激光器中采用中心波长为980nm，带尾纤的半导体泵浦激光器(1)(QLM9S470-917)，由光源驱动电路(12)驱动，偏振器(3)，980nm/1550nm的波分复用器(2)，掺铒浓度为900ppm，长度为12米的增益光纤(8)融接而成，两套超窄线宽光子注入光纤锁模装置由中心波长为1550nm的光纤耦合器(4)，环行器(5)，掺铒浓度为200ppm，长度为2米的保偏增益光纤(6)和中心波长为1550nm，反射带宽为0.15nm，反射率大于80％的光纤光栅(7)融接构成，由波长为1550nm、功率分束比为50：50的光纤耦合器(9)及探测器(10)(PF511)构成选模滤波输出系统，形成光纤激光陀螺的整体光路方案。光电探测器输出的信号最终经由信号处理单元(11)进行处理后输出角速率信息。

Claims (3)

1.一种光纤激光陀螺，主要由几大光学模块：光纤有源敏感头、超窄线宽光学滤波器和相干输出部分组成；光纤有源敏感头由带尾纤的半导体泵浦激光器、隔离器、波分复用器和掺铒增益光纤构成具有Sagnac效应的有源光纤环行激光器；超窄线宽光学滤波器由耦合器、环行器、保偏掺铒增益光纤和光纤Bragg光栅构成；相干输出部分由耦合器和探测器组成，其特征在于：由光纤环形激光器和两套光子注入饱和吸收锁模激光模块构成的光纤激光陀螺，光纤环形激光器由带尾纤的半导体泵浦激光器(1)、激光器驱动电路(12)、偏振器(3)、波分复用器(2)和高浓度掺铒增益光纤(8)组成环行腔，采用的饱和吸收锁模激光模块由光纤耦合器(4)、环行器(5)连接低掺铒浓度的保偏增益光纤(6)和Bragg光纤光栅(7)组成线形腔；

2.如权利要求1所述的光纤激光陀螺，其特征在于：通过调谐泵浦激光功率，使单模超窄线宽激光输出的线宽小于60Hz，激光输出的波长纵模间隔小于2KHz的多；

3.如权利2要求所述的光纤激光陀螺，其特征在于：输出端建立在Bragg光纤光栅的透射尾端，通过保偏光纤耦合器(9)输出陀螺信号。

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