CN102177412B - 具有固态放大介质和光学环形腔的激光陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种具有固态放大介质(MAES)和光学环形腔(COA)的激光陀螺仪，所述激光陀螺仪包括：围绕所述光学腔(COA)并能够经历振荡旋转运动的组件(EE)，以及至少一个用于进入到所述固态放大介质(MAES)中的能量的纵向注入的外部光学器件(DEOILE)。所述激光陀螺仪还包括配置为平移地和旋转地结合围绕所述光学腔的所述组件(EE)和用于能量的纵向注入的所述外部光学器件(DEOILE)的固定组件(EF)。
Description
技术领域
本发明涉及包括固态放大元件的激光陀螺仪。
背景技术
激光陀螺仪是运动传感器，其使得测量传感器的参考系相对于伽利略参考系绕一个或多个轴的旋转速率成为可能。
激光陀螺测速仪或激光陀螺仪是双向环形激光器，其使得测量角速率（或通过对时间积分，相对角位置）成为可能。其包括由组装于块上的数个反射镜（mirror）构成的光学腔，块中钻出有路径以提供光学腔。放大介质被插入到腔的光路中，且激发系统必需向放大介质提供能量以使得可能生成激光增益。选择构成激光腔的元件以容许双向操作：激光腔必需能够同时维持在相反方向上的两个波（所谓的逆向旋转波）。
激光陀螺仪通常用于测量旋转速率或角位置。此类型的仪器特别地用于航空应用。
激光陀螺仪的操作原理基于施加有旋转运动的环形激光腔中的萨格奈克效应（Sagnac effect）。当腔静止时，两个逆向旋转波呈现相同的光学频率。在光学腔的平面中存在旋转运动时，萨格奈克效应包括两个逆向旋转光学波之间的频率差Ω。从腔提取每个波的一部分能量。复合器件使得两个提取的束相干涉以便形成借助于一个或多个光检测器观察到的干涉条纹。在理想的激光陀螺测速仪中，光检测器前面的条纹的频率与施加于腔上的旋转速率成比率，并且它们的行进方向取决于旋转方向。
大多数激光陀螺测速仪，也称作激光陀螺仪，使用气体放大介质，该放大介质通常是氦和氖的混合物。于是通常通过在气体中产生等离子体来执行气体放大介质的激发，例如通过在机械上牢固地连接至腔的两个电极之间生成放电来执行气体放大介质的激发。然而，在激光陀螺仪的生产期间，放大介质的气体性质依然是技术复杂的根源，特别是因为需要高的气体纯度。此外，其导致激光器老化、对腔的密封的敏感、某些电极随操作的退化的根源。
利用固态放大介质产生激光陀螺仪是可能的，其中，气体放大介质由固态元件替代，例如通过采用YAG（钇铝石榴石）基体中的钕离子，通常由Nd:YAG表示，产生在近红外操作的固态激光陀螺仪是可能的。晶体基体或掺杂有属于稀土（铒、镱等）种类的离子的玻璃、或另外的半导电材料能够用作放大介质。从而避免了气态放大介质固有的所有问题。因为通常采用的晶体或玻璃基体是非常坏的电导体，所以仅光泵浦能够激发放大介质。合适波长的光束必需注入到固态放大介质的有用体积中，以引起期望的原子跃迁的粒子数反转，该粒子数反转使得可能引起光增益。借助于激光二极管或光纤激光二极管，当前能够有效地执行此泵浦。
固态激光陀螺仪通常用于测量旋转速率或角位置。此类型的仪器特别地用于航空应用。
为了优化光泵浦，执行纵向泵浦是可能的，或者另作说明，通过激光腔的反射镜将能量注入到谐振束的轴中。能够可选地利用附加的内部装置来稳定逆向旋转波方式的操作。于是能够通过观察两个逆向旋转谐振波之间的干涉执行腔的旋转速率的测量。
光泵浦的纵向配置使得必需将注入的束以小于二十微米的精度叠加于腔中的光学稳定束上。通过将用于注入的光学部件牢固地连接至独立的支架通常能够获得该精度，该支架装配有用于调节位置和倾斜的元件。此支架的运动不受限于光腔的运动。
为了补偿具有气态放大介质的激光陀螺仪中固有的限制，对于低的旋转速率，典型地小于每秒十分之几度或实际上百分之几度的旋转速率，其通常选择为通过机械活动使腔永久经受100Hz至1kHz量级的频率的振荡旋转运动。此实施模式使得具有气态放大介质的激光陀螺仪在称作盲区的此低的旋转速率范围中正确地操作，此盲区归因于来自反射镜的背散射。通常由两个电极构成的激发装置牢固地连接至块并且其仍然产生于腔的活动中，该两个电极间的大的电压差引起气体的离化。
具有固态放大介质例如掺钕YAG基体的激光陀螺测速仪呈现相同的盲区限制，考虑到固态放大介质中的逆向旋转波的附加耦合，可以增大该盲区限制，该固态放大介质通常具有所谓的均匀展宽的增益。调换该实施模式，即腔的机械活动，至固态激光陀螺仪产生问题，因为在此情况下，注入光学器件在经历旋转振荡运动的腔外部，该振荡旋转运动时间上改变放大介质相对于泵浦束的位置，由此引起对腔发射的强度的调制，这可以引起激光陀螺仪的严重的不正常操作。
发明内容
本发明的目的是减轻上述各种问题。
根据本发明的一方面，提出了一种具有固态放大介质和光学环形腔的激光陀螺仪，所述激光陀螺仪包括：围绕所述光学环形腔并能够经历振荡旋转运动的组件，以及至少一个用于进入到所述固态放大介质中的能量的纵向注入的外部光学器件。所述具有固态放大介质的激光陀螺仪包括配置为平移地和旋转地结合围绕所述光学环形腔的所述组件和用于能量的纵向注入的所述外部光学器件的固定组件。
从而，实现具有固态放大介质和环形光学腔的激光陀螺仪是可能的，该激光陀螺仪甚至能够对于激光陀螺仪的低的旋转速率执行提高精度的测量。
在一个实施例中，
-所述光学环形腔包括数个反射镜和至少一个部分反射镜；以及
-所述固定组件设计成使得取决于所述激光陀螺仪的光学和机械限制，传送用于能量的纵向注入的外部光学器件的能量的部件位于距对应的部分反射镜最小距离处，并设计成使得用于能量的纵向注入的所述外部光学器件在所述振荡旋转运动期间不变得失调。
本发明使得具有固态放大元件的激光陀螺仪能够在称作盲区的区域中正确地操作，此盲区归因于来自反射镜的背散射。
例如，用于能量的纵向注入的至少一个外部光学器件包括能量源、与所述固定组件平移地连接的球面镜、以及设置于所述能量源与所述球面镜之间的会聚双凸透镜。
该实施例使得可能最小化光学注入器件的元件的数量。
例如，用于能量的纵向注入的至少一个外部光学器件包括能量源、与所述固定组件平移地连接的球面镜、设置于所述能量源与所述球面镜之间的第一凹面平面或凸面平面透镜、以及设置于所述球面镜与对应的部分反射镜之间的第二凹面平面或凸面平面透镜。
采用具有在安装器件时能够用作承载表面的平面的表面的透镜，增大了组件中的精度和再现性，并使得可能减小随后在定位聚焦点时所需的调整的幅度。采用数个透镜也能够使得可能减小聚焦点处的几何像差。
在一个实施例中，用作用于所述球面镜的支撑物的所述固定组件的部分相对于入射能量束倾斜大体45°并且相对于能量注入反射束倾斜大体45°。
从而，使用注入器件的几何配置是可能的，该器件减小其惯性并有助于其随腔活动。
根据一个实施例，所述球面镜的曲率半径在约0.5m与4m之间。
从而，通过在球面镜的支撑平面上平移球面镜，可以以所需的精度调整注入器件。
在一个实施例中，所述固定组件包括用于固定所述球面镜，以便在调整所述能量注入后保持所述球面镜在所述固定组件上的位置的装置。
例如，所述固定装置包括后部支撑物或胶。
从而，在所述振荡旋转运动期间，不更改所述能量注入。
在一个实施例中，所述激光陀螺仪包括相对于所述固态放大介质大体对称设置的两个用于能量的纵向注入的外部光学器件。
该实施例使得可能使放大介质中的增益均匀，并使得可能减少可以源自放大介质中的有源体积的不对称的虚零点的根源。
附图说明
在阅读通过完全非限制性的范例描述的并通过所附附图示例的数个实施例后，将可以更好地理解本发明，其中：
图1是根据本发明的一方面的激光陀螺仪的示意图；
图2是根据本发明的另一方面的激光陀螺仪的示意图；
图3是用于根据图1或图2的激光陀螺仪的用于能量的纵向注入的外部光学器件的示意图；以及
图4是用于根据图1或图2的激光陀螺仪的用于能量的纵向注入的另一外部光学器件的示意图。
具体实施方式
在各附图中，具有相同标记的元件是相同的。
如图1中所示例的，具有固态放大介质MAES和环形光学腔COA的激光陀螺仪GL包括围绕光学腔COA且能够经历振荡旋转运动的组件EE。未描绘用于将组件EE设定到振荡旋转运动的器件。以常规方式，用于将组件EE设定到振荡旋转运动的此器件通过机械活动，对可以达到每秒一百度或实际上每秒几百度的最大角速率，产生频率为100Hz至1kHz的振荡。
激光陀螺仪GL还包括用于进入到固态放大介质MAES中的能量的纵向注入的至少一个外部光学器件DEOILE。激光陀螺仪GL还包括配置为平移地和旋转地结合包围光学腔COA的组件EF和用于能量的纵向注入的外部光学器件的固定组件EF。
环形光学腔COA包括数个反射镜MR，在此示例中为三个，并包括均反射光学腔内生成的激光波并且至少部分地将另一波长的纵向注入的外部能量透射至固态放大介质MAES的部分反射镜MPR或二向色镜。
固定组件EF设计成使得，取决于激光陀螺仪的光学和机械限制，传送用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE的能量的部件位于距部分反射镜MPR最小距离处，并且设计成使得，用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE在所述振荡旋转运动期间不会变得失调。
图2中，作为变型，类似于图1的激光陀螺仪包括用于能量的纵向注入的两个外部光学器件DEOILE，该两个外部光学器件相对于固态放大介质MAES基本对称地设置。用于能量的纵向注入的每个外部光学器件通过各自的固定组件EF直接链接，固定组件EF配置为平移地和旋转地结合包围光学腔COA的组件EE和对应的用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE。
图3和4示意性地示例根据图1或2的用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE的两个实施例。
图3描绘用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE的第一实施例，该光学器件包括能量源S、与固定组件EF平移地连接的球面镜MS、以及设置于能量源S与球面镜MS之间的会聚双凸透镜L。
图4描绘用于能量的纵向注入的外部光学器件DEOILE的第二实施例，该光学器件包括能量源S、与固定组件EF平移地连接的球面镜MS、设置于所述能量源S与球面镜MS之间的第一透镜L1、以及设置于球面镜MS与对应的部分反射镜MPR之间的第二透镜L2。第一和第二透镜L1和L2可以是凹面平面（concave planar）的或凸面平面（convex planar）的，平面的表面在安装器件时能够用作承载表面，以增大组件中的精度和再现性并减小随后在定位聚焦点时所需的调整的幅度。
用作用于球面镜MS的支撑物的固定组件EF的部分相对于入射能量束倾斜大体45°并且相对于反射的能量注入束倾斜大体45°，以便通过在补偿光学器件引入的几何像差时维持容许好的聚焦的尺度，来减小注入器件相对于腔的活动轴的惯性（inertia）。球面镜MS的曲率半径在约0.5m与4m之间。
固定组件EF包括用于固定球面镜MS以便在调整能量注入后保持其在固定组件EF上的位置的装置。例如，这些固定装置可以是使得可能更改调整的后部支撑物，或用以使调整变得不可更改的胶。
本发明使得可能以减小的成本来生产具有固态放大介质和光学环形腔的激光陀螺仪，这使得甚至对于激光陀螺仪的低旋转速率也能够执行精确的测量。
Claims (9)
1.一种具有固态放大介质（MAES）和光学环形腔（COA）的激光陀螺仪，所述激光陀螺仪包括：围绕所述光学环形腔（COA）并能够经历振荡旋转运动的组件（EE），以及至少一个用于进入到所述固态放大介质（MAES）中的能量的纵向注入的外部光学器件（DEOILE），其特征在于，所述激光陀螺仪包括配置为平移地和旋转地结合围绕所述光学环形腔的所述组件（EE）和用于能量的纵向注入的所述外部光学器件（DEOILE）的固定组件（EF）。
2.如权利要求1所述的激光陀螺仪，其中：
-所述光学环形腔（COA）包括数个反射镜（MR）和至少一个部分反射镜（MPR）；以及
-所述固定组件（EF）设计成使得取决于所述激光陀螺仪的光学和机械限制，传送用于能量的纵向注入的外部光学器件（DEOILE）的能量的部件位于距对应的部分反射镜（MPR）最小距离处，并设计成使得用于能量的纵向注入的所述外部光学器件（DEOILE）在所述振荡旋转运动期间不变得失调。
3.如权利要求1或2所述的激光陀螺仪，其中，用于能量的纵向注入的至少一个外部光学器件（DEOILE）包括能量源（S）、与所述固定组件（EF）平移地连接的球面镜（MS）、以及设置于所述能量源（S）与所述球面镜（MS）之间的会聚双凸透镜（L）。
4.如权利要求1或2所述的激光陀螺仪，其中，用于能量的纵向注入的至少一个外部光学器件（DEOILE）包括能量源（S）、与所述固定组件（EF）平移地连接的球面镜（MS）、设置于所述能量源（S）与所述球面镜（MS）之间的第一凹面平面或凸面平面透镜（L1）、以及设置于所述球面镜（MS）与对应的部分反射镜（MPR）之间的第二凹面平面或凸面平面透镜（L2）。
5.如权利要求3所述的激光陀螺仪，其中，所述固定组件（EF）的用作所述球面镜（MS）的支撑物的部分相对于入射能量束倾斜大体45°并且相对于能量注入反射束倾斜大体45°。
6.如权利要求3所述的激光陀螺仪，其中，所述球面镜（MS）的曲率半径在0.5m与4m之间。
7.如权利要求3所述的激光陀螺仪，其中，所述固定组件（EF）包括用于固定所述球面镜（MS），以便在调整所述能量注入后保持所述球面镜（MS）在所述固定组件（EF）上的位置的装置。
8.如权利要求7所述的激光陀螺仪，其中，所述固定装置包括后部支撑物或胶。
9.如权利要求1或2所述的激光陀螺仪，包括相对于所述固态放大介质（MAES）大体对称设置的两个用于能量的纵向注入的外部光学器件（DEOILE）。
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