CN101740997B - 具有受控光泵浦的固态陀螺仪激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有受控光泵浦的固态陀螺仪激光器，其包括至少一个环形光学腔(1)和由激光二极管(16)泵浦的固态放大介质(15)，所述腔(1)包括至少三个镜子(11，12，13，14)，所述激光二级管(16)的发光功率由电流源(17)决定，腔(1)和放大介质(15)使两个所谓的对旋光模式(5，6)在所述光学腔内沿彼此相反的方向传播，该陀螺仪激光器为B类陀螺仪激光器，该陀螺仪激光器还包括测量两个光模式间存在的光频差的装置(18)。该陀螺仪激光器包括测量光学腔中循环的总光功率的装置(20，21)以及控制电源所提供的电流以在以激光器的弛豫频率为中心的窄光谱带内保持总光功率基本恒定的第一控制装置(22)。

Description

具有受控光泵浦的固态陀螺仪激光器

技术领域

本发明所属领域为固态陀螺仪激光器(gyrolaser)领域，其中该固态陀螺仪激光器用于产生诸如飞机等某些类型的交通工具的导航所需的惯性系统。陀螺仪激光器是基于萨尼亚克(Sagnac)效应的光学角速率传感器。萨尼亚克效应是本领域技术人员所公知的，在此不再赘述。仅回顾：当两个对旋光模式在进行旋转运动的环形激光器中循环时，它们的光频发生偏移，该偏移代表旋转速度。

背景技术

目前，市售陀螺仪激光器使用氦氖气体混合物作为放大介质。这种难于实现的技术具有一定的缺点。此外，目前考虑用诸如激光二极管泵浦的掺钕钇铝石榴石(Nd-YAG)晶体等固态放大介质来取代气体放大介质。这种陀螺仪激光器的可行性已被成功论证。关于这一点，可参考S.Schwartz、G.Feugnet、P.Bouyer、E.Lariontsev、A.Aspect和J.P.Pocholle在Physics Review Letters 97，093902(2006)中发表的文章以及S.Schwartz、G.Feugnet、E.Lariontsev和J.P.Pocholle在PhysicsReviewA 76，023807(2007)中发表的文章。当这种设备的频率响应更为线性时，设备的惯性性能提高，也就是说，在尽可能宽的工作范围内，得到两个对旋模式之间的差拍信号，其频率与组件的旋转速度成正比。

固体激光器的频率响应的首要非线性来源与增益介质中的受激辐射引起的粒子数反转系统的存在有关。上述参考文献已指出，通过该增益系统所产生的与理想频率响应的偏差Δf由下面的方程(A)给出：

$\text{\Δf=}\frac{\mathrm{\γ}\·\mathrm{\η}}{4\mathrm{\π}{T}_1\mathrm{\Ω}}$ 其中 $\frac{\mathrm{\Ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{4A}{\mathrm{\λL}}.\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}$

其中γ表示单位时间内的强度损耗率；

η为超出泵浦阈值的相对泵浦余量；

T₁为粒子数反转的响应时间；

A为激光腔中的写入面积；

λ为平均激光发射波长；

L为腔的长度；

为陀螺仪激光器的旋转速度。

纵向振动放大介质可以大大避免上述粒子数反转系统的影响。参考2008年9月26日公开(issued)的专利FR 06 07394，可获得有关该技术的其他信息。不过，泵浦率η的稳定性仍是固态陀螺仪激光器性能的重要判据。

能够使惯性性能下降的另一个现象是由于当陀螺仪激光器旋转时，在增益介质的惯性和拍频处的激光激励的联合作用下，陀螺仪激光器中的参量谐振会升高。事实上，某些激光器的粒子数反转响应时间与其他特性时间相比非常的高，其中所述其他特性时间指的是腔的相干寿命(lifetime of the coherences)和特征阻尼时间，这种激光器被称为B类激光器，其在被称为弛豫频率且在下文中用ω_r/2π表示的某些特征频率附近出现谐振响应现象，这是众所周知的，例如，在1986年由University Science Books，Mill Valley，CA出版、A.Siegman所著的Lasers一书中有所描述。当固态陀螺仪激光器的旋转速度使拍频等于或非常接近于弛豫频率时，激光器发射的模式强度变得非常不稳定，这妨碍了差拍的观测，因此大大降低了总的惯性性能。特别地，使用Nd-YAG放大介质的二极管泵浦固态陀螺仪激光器是B类激光器，因此也经历这一现象。

发明内容

根据本发明的陀螺仪激光器具有至少一个反馈环，该反馈环限制或消除了这些问题中的很大一部分。

更确切地说，本发明的主题为一种陀螺仪激光器，其包括至少一个环形光学腔和由激光二极管泵浦的固态放大介质，所述腔包括至少三个镜子，所述激光二极管的发光功率由电流源决定，腔和放大介质使两个所谓的对旋光模式在所述光学腔内沿彼此相反的方向传播，该陀螺仪激光器是B类陀螺仪激光器，该陀螺仪激光器还包括测量两个光模式间存在的光频差的装置，其特征在于，该陀螺仪激光器包括测量光学腔中循环的总光功率的装置以及控制电源所提供的电流以保持总光功率基本恒定的第一控制装置。

有利地，所述第一控制装置被最优化以在基本上以激光器的弛豫频率为中心且宽度为1/(4πT₁)的第一频带内工作，其中T₁为放大介质中的粒子数反转的响应时间。

有利地，该陀螺仪激光器包括控制电源所提供的电流的第二控制装置，电源被最优化以在第二频带内工作，所述第二频带的下限对应于接近直流的低频，上限对应于弛豫频率。

有利地，周期性地切断所述第一控制装置以允许光功率在激光器的弛豫频率振荡，该陀螺仪激光器包括测量所述频率的装置、通过所述频率的测量来计算有效泵浦率的装置、以及根据所述泵浦率调整第二控制装置的参数的装置。

附图说明

通过阅读以下参照附图给出的非限制性描述，将更好地理解本发明，其他优点也将显现，其中，图1显示了根据本发明的陀螺仪激光器的框图。

具体实施方式

有利地，在描述陀螺仪激光器的实施例之前，首先回顾B类激光器的工作。在简化模型的情况下，可通过两个实参数E和N来描述B类激光器，E表示腔内的电场，N表示激光器的粒子数反转或增益。这两个参数服从下面的半常规(semi-conventional)微分方程(B)：

$\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{\γ}}{2}.E+\frac{\mathrm{\σl}}{2T}.\mathrm{NE}$ 及 $\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=W-\frac{N}{T_1}-\frac{a{E}^{2}N}{2T_1}$ 其中

σ表示有效激光发射截面；

l为增益介质的有效长度；

T为光子通过腔所用的时间；

W为光泵浦率；

其中 $\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{W\σl}{T}_1}{\mathrm{\γT}}-1$ 以及a为饱和参量。

通过这些符号和另外引入的相干寿命T₂，将具有B类激光器的条件(C)记作：

T₁＞＞T₂及T₁＞＞γ^-1

以一固态环形激光器作为非限制性示例，其腔周长为30厘米，损耗率为每周2％，相当于γ为2.10⁷.s^-1，放大介质为Nd-YAG晶体，其中T₁＝230μs且T₂＝10^-11s，恰当地了满足不等式(C)，因此该激光器为B类激光器。

通过表达式(D)给出方程(B)的与大于阈值的激光发射对应的一组静态解：

$N_{\mathrm{st}}=\frac{\mathrm{\γT}}{\mathrm{\σl}}$ 以及 $a{E}_{\mathrm{st}}^2=2\mathrm{\η}$

如果从该静态开始施加正弦干扰，例如在系统的第一方程(B)中使用fcosωt型源项，并且假设干扰相对于该方程的其他项来说非常小，则可将激光器的方程的新的解记作静态解(D)与修正项之和，该校正项与静态解相比非常小并在角频率ω处正弦变化。得到方程组(E)：

接近谐振且在低泵浦率的界限内，得到关于激光器的电场E所引入的正弦干扰e和正弦激励力f的方程(F)：

$e=\frac{f}{\sqrt{1/{T_1}^2+4{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_r)}^2}}$ 其中 ${\mathrm{\ω}}_r=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ\η}}{T_1}}$

方程(F)显示激光器系统以谐振方式响应正弦激励，在弛豫频率ω_r/2π附近获得最大灵敏度。此外，该响应的典型宽度由表达式1/2T₁给出，其中T₁为粒子数反转的寿命的倒数。通过之前给出的典型值以及η＝0.2，得到350Hz数量级的谐振宽度ω_r/2π≈21kHz。

因此系统优选响应以激光器的弛豫频率为中心的窄频带内的干扰。因此，激光器对发生在该频带内的干扰特别灵敏。例如，这种干扰可以源自设备外部的机械振动。在陀螺仪激光器的情况下，在旋转的作用下，干扰也可以源自激光器内部。事实上，通过下式(G)给出两个对旋模式之间的频率差作为第一近似值：

$\frac{\mathrm{\Ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{4A}{\mathrm{\λL}}.\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}$

当Ω≈ω_r时，相当于 $\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}\≈{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{cr}}$ 时，发生能够使激光器不稳定并且因此干扰旋转测量的参量谐振，其中通过下式(H)给出临界转速

${\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{cr}}=\frac{\mathrm{\κL}{\mathrm{\ω}}_r}{2\mathrm{\πA}}$

通过之前给出的参数以及假设激光器的方形腔的周长为30厘米且在1.06μm波长处发光，得到下面的值： ${\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{cr}}=17\mathrm{deg}/s..$

同样地，由前面计算的谐振峰值的宽度得出 $\mathrm{\Δ}{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{cr}}=0.3\mathrm{deg}/s.$ 因此，这种差拍消失范围相当于陀螺仪激光器的工作区内的每秒零点几度的额外“盲区”，其必然导致惯性性能大大下降。

为了校正该问题，根据本发明的陀螺仪激光器包括对光泵浦激光二极管的电流起作用的至少第一反馈环。更确切地说，根据本发明的固体激光器(例如如图1所示)包括：

●包括四个镜子11，12，13和14的环形光学腔1。当然，图1所示的基本上为方形的光学腔只是作为一种表示。腔可以是三角形或矩形的，位于平面内与否均可；

●由激光二极管16泵浦的固态放大介质15，激光二极管16的发光功率由电流源17决定，该介质可以是例如Nd-YAG晶体。当然，图1中的二极管的表示只是形式上的。可通过以最优化换能效率、放大均匀性、偏振态等等的方式设置的几个二极管来泵浦放大介质；

●腔1和放大介质15使被称为对旋模式的两个模式5和6在所述光学腔内沿彼此相反的方向传播，根据本说明书所给出的定义，陀螺仪激光器为B类激光器；

●测量两个光模式之间存在的光频差的装置18。通常，这些装置一方面由可以使两个对旋模式互相干涉的干涉设备构成，另一方面由可以分析干涉信号的频率的光电子装置构成。这些装置是陀螺仪激光器领域的技术人员所公知的，本说明书中不再赘述；

●可以减少或消除两个对旋模式之间的光耦合的不同的光学装置19，这些不同的装置通常基于法拉第效应这样的非互易光学效应或者基于偏振，于是两个对旋模式具有不同的偏振。根据本发明的设备与这些装置兼容；

●测量光学腔中循环的总光功率的装置20和21。这些装置例如可由两个光电探测器构成，对旋模式的一小部分发送至所述两个光电探测器，然后用电学方法将这两个光电探测器所输出的电信号相加；

●控制电源所提供的电流以保持总光功率基本恒定的第一装置22。

这些控制装置优选在以弛豫频率为中心、最小宽度为1/4πT₁的频率范围内工作，弛豫频率的值随着泵浦率而增加。代表激光总强度的误差信号由激光器所发射的两个对旋光束的强度的非相干相加(incoherent sum)构成。然后对二极管的泵浦电流作用以将总功率的变化关于频率ω_r取反。这种设备可避免会迅速导致激光器不稳定的激光器失控，反而将两个强度保持在稳定工作模式。

应注意，存在可消除固体激光器光谱的弛豫振荡的方法。在T.Kane在IEEE Photonics Technology letters 2，244(1990)发表的文章以及C.Harb、M.Gray、H.-A.Bachor、R.Schilling、P.Rottengatter、I.Freitag和H.Welling在IEEE journal of Quantum Electronics 30(12)，2907(1994)发表的文章中可找到有关该方法的更详尽的信息。但是如下所述，根据本发明的设备与该现有技术之间存在几个根本区别：

数量级不同。在根据本发明的设备中，主要是防止会导致强度达到100％的调制的激光器失控，并且能够将激光器保持在足以进行测量的平衡状态。而上述文献中所述的设备可以消除通常小于强度的1％的微小变化，以便从激光器的噪声谱中去除该微小变化，此外激光器自然处于连续平衡状态。

技术领域不同。Kane和Harb的文章中的激光器不是陀螺仪激光器，而是具有对旋模式的环形激光器；

最后，应用领域不同。在本发明的情况下在于惯性传感器，而Kane和Harb的文章涉及的主要是具有高光谱纯度和低噪声的激光器。

弛豫频率恰为必须对激光器进行校正的频率，通过使激光器在弛豫频率周围具有最大灵敏度，从而反馈环在弛豫频率周围具有最高效率，来确保设备正常工作。自然，控制装置考虑陀螺仪激光器对于泵浦率的正弦调制的振幅和相位响应，控制参数的数量级能够在一开始通过实验方式确定。

在固态陀螺仪激光器中，使得必须主动控制光泵浦二极管所提供的功率的第二个现象与增益的空间变化对频率响应的影响有关，这种变化能够引入通过“系统效应”造成的激光腔的对旋模式之间的耦合。通过方程(A)给出这种由增益引入的频率响应的非线性的值，其特别与泵浦率η正比。如上所述，可使用特殊设备来降低这个值，例如纵向振动增益介质。可见，在某些条件下，特别是涉及增益介质的振动频率时，该非线性被改写为Δf＝γηJ₀(kx_m)/(4πT₁Ω)，其中k＝2π/λ，x_m是运动达到最高的峰值到峰值(peak to peak)的振幅。虽然满足条件J₀(kx_m)＜＜1可以大大减小该非线性的影响，但是由此引起的残留误差还是与泵浦率成正比，同样必须控制泵浦率的均值。

因此，根据本发明的陀螺仪激光器可以包括第二反馈环，其目的在于使固态陀螺仪激光仪中的光泵浦率的均值保持恒定，以便限制由增益的不均匀性所引起的性能下降；特别地，该环的作用域较多地涉及低频，总之，是低于ω_r的频率。

因此，有利的是，利用弛豫频率测量所给出的信息，来为第二反馈环的误差信号更精确地估计激光器的有效泵浦率。由于第一反馈环的存在会令这种测量更加困难，因此例如根据低频采样周期性地中断第一反馈环，以便允许该测量。

Claims (3)

1.一种陀螺仪激光器，其包括至少一个环形光学腔(1)和由激光二极管(16)泵浦的固态放大介质(15)，所述腔(1)包括至少三个镜子(11，12，13，14)，所述激光二极管(16)的发光功率由电流源(17)决定，腔(1)和放大介质(15)使两个所谓的对旋光模式(5，6)在所述光学腔内沿彼此相反的方向传播，该陀螺仪激光器为B类陀螺仪激光器，该陀螺仪激光器还包括测量两个光模式间存在的光频差的装置(18)，其特征在于，该陀螺仪激光器包括测量光学腔中循环的总光功率的装置(20，21)以及控制电源所提供的电流以保持总光功率实质恒定的第一控制装置(22)，其中所述第一控制装置被最优化以在实质上以激光器的弛豫频率为中心且宽度为1/(4πT₁)的第一频带内工作，其中T₁为放大介质中的粒子数反转的响应时间。

2.如权利要求1所述的陀螺仪激光器，其特征在于，该陀螺仪激光器包括控制电源所提供的电流的第二控制装置，电源被最优化以在第二频带内工作，所述第二频带的下限对应于接近直流的低频，上限对应于弛豫频率。

3.如权利要求1所述的陀螺仪激光器，其特征在于，周期性地切断所述第一控制装置以允许光功率在激光器的弛豫频率振荡，该陀螺仪激光器包括测量所述频率的装置、通过所述频率的测量来计算有效泵浦率的装置、以及根据所述泵浦率调整第二控制装置的参数的装置。 

Images