CN101903741B - 使用<100>切割晶体增益介质的固态多振荡器环形激光陀螺仪 - Google Patents

使用<100>切割晶体增益介质的固态多振荡器环形激光陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及“多振荡器”环形激光陀螺仪，用于沿确定的转动轴测量角速度或相关的角位置，该“多振荡器”环形激光陀螺仪包括至少一个光学环形腔(1)、固态放大介质(2)和测量装置(6)，以如下的方式配置：第一线性偏振传播模式和垂直于第一模式的第二线性偏振传播模式能够在腔中的第一方向传播，以及平行于第一模式的第三线性偏振传播模式和平行于第二模式的第四线性偏振传播模式能够在腔中的相反方向传播。放大介质是具有进入面和发出面的立方对称晶体，所述进入面和发出面都基本垂直于晶向，并且不同模式在基本垂直于所述进入面和发出面的方向上传播。

Description

使用＜100＞切割晶体增益介质的固态多振荡器环形激光陀螺仪
技术领域
本发明涉及的领域是环形激光陀螺仪，所述环形激光陀螺仪是用于惯性导航的转动传感器。虽然目前在市场上可买到的大多数环形激光陀螺仪使用氦/氖混合气体作为增益介质，但是近来已经证实了使用固态介质(例如激光半导体泵浦Nd-YAG(掺钕钇铝石榴石)晶体)替代混合气体的可能性。这样的装置称为固态环形激光陀螺仪。
背景技术
确定环形激光陀螺仪的惯性性能质量的一个关键点是防止发生称为“锁区(lock-in zone)”的问题，即在低转动速率时的模式同步的问题，该问题导致不可能在整个速率范围内进行测量。在一般类型的氦/氖环形激光陀螺仪中，通过以机械方式激活腔来解决该问题，即通过对腔进行环绕其轴的往复运动，从而使腔能够保持尽可能经常处于锁区之外。
该技术也可以转换为固态环形激光陀螺仪的情况，考虑到涉及增益介质的均匀性的特殊问题，通过将放大介质与电控机械相耦合，使放大介质沿基本上与在腔中传播的光学模式的传播方向平行的轴进行周期性的直线移动。还有一种防止锁区问题发生的可能方式，其无需使用机械移动，该方式涉及引入磁光频率偏置，从而模仿一种使环形激光陀螺仪置于线性操作区的转动。根据该原理制造的装置的惯性性能质量直接依赖于从测量信号中减去初始引入的频率偏置的方式。正如在过去的气体环形激光陀螺仪研究的内容中所指出的，因为偏置中的波动和漂移直接影响信号，简单的减去该偏置的平均值只能使环形激光陀螺仪具有较低或中等的性能。确实存在保持磁光偏置优越性并同时还避免其波动和漂移的方法，其操作原理的称为“多振荡器环形激光陀螺仪”或“四模式环形激光陀螺仪”，包括在腔中产生同时存在的两对以正交偏振态振荡的反向传播模式，以及确保所述两对反向传播模式对仅符号相反的相同磁光偏置都敏感。由来自两对反向传播模式的拍频之间的差形成测量信号因此独立于偏置的值，从而对其中的波动和漂移特别的不敏感。这类装置已经被详细描述，并以氦/氖方式研究。例如在K.Andringa的专利US 3741657(1973)(题目为“Lasergyroscope”)或者W.Chow，J.Hambenne，T.Hutchings，V.Sanders，M.Sargent III和M.Scully撰写的出版物(题目为“Multioscillator LaserGyros”，IEEE Journal of Quantum Electronics 16(9)，918(1980))提到了该问题。Northrop Grumman公司(原Litton公司)最近向市场投放了一种基于上述所述的“零锁区(zero-lock)”原理的高性能激光陀螺仪。
Litton公司的零锁区技术向固态环形激光陀螺仪的变换有可能使锁区问题得以解决。但是，固态激光器具有其他的问题。观测拍频，以及从而操作环形激光陀螺仪的条件是在两个方向上发出的稳定性和相对相等的强度。由于模式竞争的现象，这并不是容易达成的条件，所谓模式竞争是指两个反向转播模式中的一个可能具有独占可用的增益的趋势，而损害另一模式。可以通过安装反馈环而解决固态环形激光器双向发射不稳定的问题，所述反馈环的目的是将两个反向传播模式之间的强度差值控制在一个固定值附近。通过以下两种方法的其中之一可以使所述环作用于激光器上，一种是通过根据传播方向的损耗使所述环作用于激光器上，例如通过互易转动(reciprocal-rotation)元件、非互易(nonreciprocal)转动元件和偏振元件(专利FR 03/03645)，另一种是根据传播方向的增益使所述环作用于激光器上，例如通过互易转动元件、非互易转动元件和偏振发射晶体(专利FR 03/14598)。一旦受控，激光器就发射两个反向传播的光束，其强度稳定并可以用作激光陀螺仪。
但是，上述技术并没有解决正交模式之间竞争的问题。从实验中可以得到，这一缺陷实际上将得到的固态多谐振腔环形激光陀螺仪的拍频的稳定性限制为几十秒钟，如S.Schwartz的博士论文(题目为“Gyrolaser àétat solide.Application des lasers àatomes àlagyrométrie”[Solid-state ring laser gyro.Application of atom lasers togyrometry]2006年出版)所述。
发明内容
根据本发明的激光陀螺仪具有特别的增益介质，能够降低正交模式之间的竞争。
更特别的是，本发明的一个方面是用于沿确定的转动轴测量相对的角位置或角速度的多振荡器环形激光陀螺仪，包括至少一个光学环形腔，固态放大介质和测量装置，以如下的方式配置：第一线性偏振传播模式和垂直于第一模式的第二线性偏振传播模式能够在腔中的第一方向传播，以及平行于第一模式的第三线性偏振传播模式和平行于第二模式的第四线性偏振传播模式能够在腔中的相反方向传播，其特征在于放大介质是立方对称的晶体，具有进入(entry)面和发出(exit)面，晶体被切割从而这些面都基本垂直于<100>晶向，在这些面上的不同模式的入射角度基本垂直于这些面。
在第一个可能的实施例中，环形激光陀螺仪包括，至少一个激光二极管，产生放大介质的粒子数反转，所述二极管发射穿过晶体的光束，光束沿激光腔的本征模式的偏振态的方向的角平分线所确定的方向线性偏振。
在第二个可能的实施例中，环形激光陀螺仪包括至少两个激光二极管，产生放大介质的粒子数反转，每个激光二极管发射光束，每束光束都是沿激光腔的本征轴的其中之一线性偏振，第一光束的偏振方向垂直于第二光束的偏振方向。
有利的，激光陀螺仪包括用于控制反向传播模式的强度的反馈装置，至少包括：
●第一光学组件，包括具有非互易效应(nonreciprocal effect)的第一光学旋光器(rotator)和光学元件，所述光学元件是具有互易效应的光学旋光器或者双折射元件，互易效应和双折射的至少其中之一是可调的；
●第二光学组件，包括第一空间滤波装置和第一光学偏光分束元件；
●第三光学组件，包括第二空间滤波装置和第二光学偏光分束元件，所述第二光学组件和第三光学组件置于第一光学组件的任意一侧，第三光学组件相对于第二光学组件对称放置；
以及激光陀螺仪还包括用于去除盲区(blind zone)的装置，包括：
●第四光学组件连续的包括，第一四分之一波片、具有非互易效应的第二光学旋光器和第二四分之一波片，该第二四分之一波片的主轴垂直于第一四分之一波片的主轴，第一四分之一波片的主轴和第二四分之一波片的主轴与四个传播模式的线性偏振方向之间有大约45°的倾斜，四个模式的光学频率都是不同的。
最后，本发明还涉及用于测量沿三个不同的轴的角速度或相关角位置(angular positions)的系统，其包括三个具有上述特征其中之一的多振荡器环形激光陀螺仪，三个环形激光陀螺仪沿不同方向定向，并安装在公共的机械结构上。
附图说明
通过结合下列附图而阅读下列说明书给出的非限制性实施例的方式将更容易理解本发明，以及本发明的其他优点将变得更为清楚，其中：
图1表示立方体晶体的不同切割；
图2表示根据本发明的多振荡器环形激光陀螺仪的方块图；
图3表示用于根据本发明的放大器的第一光学泵浦模式；
图4表示用于根据本发明的放大器的第二光学泵浦模式；以及
图5表示根据本发明的多振荡器环形激光陀螺仪的方块图，包括用于控制反向传播模式的强度的反馈装置，以及用于去除盲区的第二装置。
具体实施方式
根据本发明的激光陀螺仪的基本原理是在掺杂的晶体介质中，在一方面的晶体轴的定向和另一方面的掺杂离子的偶极子之间所存在的相关性(correlation)。在饱和吸收介质的情况下，对于不同的应用已经证实了该相关性。例如，在本发明的主题中可能提到下列的出版物：
H.Eilers，K.Hoffman，W.Dennis，S.Jacobsen和W.Yen，Appl.Phys.Lett.61(25)，2958(1992)；以及M.Brunel，O.Emile，M.Vallet，F.Bretenaker，A.Le Floch，L.Fulbert，J.Marty，B.Ferrand和E.Molva，Phys.Rev.A 60(5)，4052(1999)。
通过相对于激光器的偏振本征态而适当的使作为增益介质的晶体的轴定向，能够确保每个偏振本征态优选地与特定的偶极子相互作用(interact)，这具有降低正交本征态之间的耦合的效应，并从而降低模式间竞争的现象。
特别是，当使用的增益介质是立方体的，以及切割的方式是其表面垂直于<100>方向，相对于晶体的轴确定一个方向，使用密勒指数标记法(Miller indices notation)(对于这一点，读者可以参考下列内容，H.Miller，“A Treatise on Crystallography”，Oxford University(1839))，相对于垂直于<111>方向的普通切割模式，模式之间的耦合显著降低。这样，如果在激光腔中使用掺杂钕离子的YAG晶体作为增益介质，测量了一方面沿<111>轴切割晶体和另一方面沿<100>方向切割晶体的正交模式之间的耦合力，能够得到第二种情况下的耦合比第一种情况小十五倍，从而导致在多振荡器固态环形激光陀螺仪配置中具有更好的拍频信号稳定性。图1显示了立方体晶体的两种切割，左边的附图显示了沿<111>轴的切割，以及右边的附图显示了沿<100>轴的切割。在这些切割中，立方体表示晶体的晶格，通过点线标出的面表示切割平面，以及激光束的传播方向通过双箭头表示。
因此，根据本发明的激光陀螺仪包括<100>切割立方体单晶体增益介质，从而增加了测量信号的稳定性。应当注意的是，绝大多数市售可用的单晶体放大介质是以<111>切割的。仅有少量的专门工业制造商，例如German companyFEE，能够提供<100>切割的晶体。
通过下列简化的模型可以描述激光器的正交本征模式之间的耦合方面的<100>晶体切割和<111>晶体切割之间相比较的效果，所述简化的模型有利地提供了表现所涉及的物理现象的直观视图。假设，掺杂的离子偶极子的轴沿增益介质的晶体学轴而定向，所述增益介质假设是立方体的，并通过两两正交的单位向量ex，ey和ez而定义。掺杂的离子可以沿通过dex，dey和dez表示的三个偶极子系(family of dipole)分布。首先讨论晶体沿<111>轴切割的情况。然后，通过
Figure GPA00001159664700061
给出了垂直于晶体表面入射的光束的波向量k。激光器的两个线性偏振本征态通过Eu和Ev表示，其自然满足下列方程：
Eu.Ev＝0；Eu.k＝0和Ev.k＝0。
然后，假设(通过反证法)偶极子系是去耦合的，也就是说，如果一个模式和一个系相互作用，那么另一个模式不和所述系相互作用。使用我们的标记法，意味着如果沿Eu的ex，ey或ez的分量是非零的，那么相对应的分量Ev必须是零。由于向量Eu不是零，其至少一个分量不是零。不失一般性的，假设分量对应于x轴，即(Eu.ex)。这就意味着，根据偶极子系去耦合的假设，分量(Eu.ex)是零。从而，从等式Ev.k＝0容易得到下列的关系：
Ev.ey＝-Ev.ez≠0，由于Ev≠0。
这样，反过来就可以使用等式Eu.Ev＝0来建立下列关系：
Eu.ey＝Eu.ez＝0(根据偶极子去耦合的假设)。
通过考虑到Eu.k＝0的因素，然后得到等式Eu.ex＝0，这与开始的假设相矛盾。这一反证法推理的结论是，当晶体沿<111>轴切割时，两个正交模式不可能完全去耦合。现在讨论晶体沿<100>轴切割的相反情况。入射波的波向量通过k＝kex给出，以及正交本征模式的偏振的形式是：
Eu＝Eu0(eycosα+ezsinα)以及Ev＝Ev0(-eysinα+ezcosα)，
其中，角度α依赖于相对于腔的本征轴(intrinsic axes)的偏振的轴ey和ez的定向。特别是，当晶体以α＝0的方式定向，系统的情况是模式Eu仅和偶极子系dey相互作用，而模式Ev仅和偶极子系dez相互作用。这样在两个模式之间完全去耦合，有时这在沿<111>轴切割的晶体中是不可能的。结论是，这一简单的模型说明了在增益介质中的沿<100>轴切割以去耦合正交偏振模式的优越性。
图2显示了根据本发明的多振荡器激光陀螺仪的方块图。其主要包括：
●光学环形腔1；
●固态放大介质2；
●测量装置6；
●用于控制反向传播模式的强度的反馈装置3；以及
●用于去除盲区的装置4。
组件以如下的方式配置：第一线性偏振传播模式和垂直于第一模式的第二线性偏振传播模式能够在腔中的第一方向传播，以及平行于第一模式的第三线性偏振传播模式和平行于第二模式的第四线性偏振传播模式能够在腔中的相反方向传播。这些模式的偏振方向在图2中通过加粗箭头表示。
放大介质可以是掺杂钕的YAG晶体，其切割方式是光进入(entry)面和光发出(exit)面都垂直于<100>晶向，或者同样垂直于<010>或<001>晶向。晶体被定向从而最小化正交模式之间的耦合。
通过例如一个或多个激光二极管5在近红外波段(典型的在808nm)的发射而提供光学泵浦。在图3所示的第一实施例中，可以使用单泵浦二极管5，它沿通过激光腔本征模式的偏振态的方向得到的角平分线确定的方向线性偏振。在图4中所示的第二实施例中，可以使用两个在相反方向发射的激光二极管5，激光二极管5的每一个都沿着激光腔的本征轴的其中之一线性偏振。在这些图中，用加粗箭头表示二极管发射的光束的偏振方向。
图5显示了根据本发明的多振荡器环形激光陀螺仪的方块图，包括用于控制反向传播模式的强度的反馈装置，以及使用移相器的用于去除锁区的装置。
移相器系统4可以例如包括被两个在激光发射波长的半波片42所环绕的法拉第介质41(例如置于磁体的磁场中的TGG晶体)。无论是什么形式，系统4必须具有在系统4之间的线性本征态，其引起非互易性相移。
强度稳定系统3用于防止反向传播模式之间的竞争问题，从而确保多振荡器环形激光陀螺仪的整个操作范围内的拍频状态的存在和稳定性。该系统可以包括例如两个偏光分束晶体31(与光轴45°切割的单轴双折射晶体，例如金红石或YVO4晶体)，其环绕有法拉第旋光器32(例如置于螺线管中的TGG或YAG晶体)以及互易旋光器33(例如自然的光学旋光晶体，例如石英)。从而，通过反馈控制环35得到稳定的强度，所述反馈控制环35使用两个光电二极管测量反向传播模式的强度，以及将与测量得到的强度的差等比例的电流注入环绕法拉第旋光器的螺线管，如S.Schwartz、G.Feugnet和J.P.Pocholle的法国专利04/02706所描述。可以证明即使不是严格的必需，也需要使用光阑36(如图5所示)从而正确的使用该类装置。
探测系统6可以等同于现有一般多振荡器环形激光陀螺仪的探测系统。关于该主题的其他信息可以参考K.Andringa的美国专利US 3741657(1973)题目为“Laser gyroscope”，以及W.Chow，J.Hambenne，T.Hutchings，V.Sanders，M.Sargent III和M.Scully的出版物，其题目为“Multioscillator Laser Gyros”，IEEE Journal of QuantumElectronics 16(9)，918(1980)。一般而言，探测系统包括：
●一方面使第一传播模式和第三传播模式干涉而另一方面使第二传播模式和第四传播模式干涉的光学部件；
●一方面确定第一传播模式和第三传播模式之间的第一光学频率差而另一方面确定第二传播模式和第四传播模式之间的第二频率差的光电部件；以及
●用于得到第一频率差和第二频率差之间的差值的电子部件。

Claims (5)

1.一种用于沿确定的转动轴测量相对的角位置或角速度的多振荡器环形激光陀螺仪，包括至少一个光学环形腔(1)，固态放大介质(2)和测量装置(6)，以如下的方式配置：第一线性偏振传播模式和垂直于该第一线性偏振传播模式的第二线性偏振传播模式能够在腔中的第一方向传播，以及平行于该第一线性偏振传播模式的第三线性偏振传播模式和平行于该第二线性偏振传播模式的第四线性偏振传播模式都能够在腔中以与第一方向相反的方向传播，其特征在于，该放大介质是具有进入面和发出面的立方对称晶体，该晶体被切割从而所述进入面和发出面都基本垂直于<100>晶向，在所述进入面和发出面上的不同模式的入射角度基本垂直于所述进入面和发出面。
2.如权利要求1所述的多振荡器环形激光陀螺仪，其特征在于，所述激光陀螺仪包括至少一个激光二极管(5)，其产生放大介质的粒子数反转，所述二极管发射穿过晶体的光束，该光束沿激光腔的本征模式的偏振态的方向的角平分线所确定的方向线性偏振。
3.如权利要求1所述的多振荡器环形激光陀螺仪，其特征在于，激光陀螺仪包括至少两个激光二极管(5)，其用于产生放大介质的粒子数反转，所述两个激光二极管分别发射第一光束和第二光束，该第一光束以与该第二光束的方向相反的方向穿过放大介质，所述第一光束是沿激光腔的第一本征轴线性偏振的，所述第二光束是延激光腔的第二本征轴线性偏振的，该第一光束的偏振方向垂直于该第二光束的偏振方向。
4.如权利要求1所述的多振荡器环形激光陀螺仪，其特征在于，激光陀螺仪包括用于控制反向传播模式的强度的反馈装置(3)，至少包括：
·第一光学组件，包括具有非互易效应的第一光学旋光器(32)和光学元件(33)，所述光学元件是具有互易效应的光学旋光器或者双折射元件，互易效应和双折射的至少其中之一是可调的；
·第二光学组件，包括第一空间滤波装置(36)和第一光学偏光分束元件(31)；
·第三光学组件，包括第二空间滤波装置(36)和第二光学偏光分束元件(31)，所述第二光学组件和第三光学组件置于第一光学组件的任意一侧，所述第三光学组件相对于该第二光学组件对称放置；
以及该环形激光陀螺仪还包括用于去除盲区的装置(4)，包括：
·第四光学组件，依次包括第一四分之一波片(42)、具有非互易效应的第二光学旋光器(41)和第二四分之一波片(42)，该第二四分之一波片的主轴垂直于该第一四分之一波片的主轴，该第一四分之一波片的主轴和第二四分之一波片的主轴与四个传播模式的线性偏振方向之间有大约45°的倾角，该四个传播模式的光学频率都是不同的。
5.一种用于测量沿三个不同的轴的角速度或相关角位置的系统，其特征在于，包括三个相同的如权利要求1所述的多振荡器环形激光陀螺仪，三个多振荡器环形激光陀螺仪沿不同方向定向并安装在公共的机械结构上。
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