CN102353372A - 由倍频晶体器件实现被动稳定的多振荡器固态激光陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及一种由倍频晶体器件实现被动稳定的多振荡器固态激光陀螺仪，用于测量角速度或相对于定义的转动轴的角位置。所述激光陀螺仪包括：光学环形腔(1)；固态放大介质(2)；以及非互易磁光设备(12，13，14)，这些组件被设置为使得四个线性偏振的传播模式可以在腔中传播，磁光设备在传播于第一方向上的模式和传播于相反方向上的模式之间引入频偏。在本发明的设备中，腔还包括稳定器设备(20)，用于在基本上等效的程度上稳定四个传播模式的强度，所述设备包括至少一个由倍频类非线性晶体制作而成的光学元件。

Description

由倍频晶体器件实现被动稳定的多振荡器固态激光陀螺仪

技术领域

本发明的技术领域是特别在航空领域用于惯性导航的激光陀螺仪，并且特别是固态激光陀螺仪领域。

背景技术

目前大多数可商用的激光陀螺仪包括含有氦/氖气体混合物的微晶玻璃制作而成的腔，在这个腔中同时存在两个反向传播(counterpropagating)的光波，即，在这个腔中，波以相反的方向进行传播。众所周知，在这种激光器中，当处于低转动速度时，这两个反向传播的波具有相同的频率。这种在低转速时的频率锁定问题或是“死区”问题通常通过机械抖动使腔环绕其转动轴振动来解决。足够防止频率锁定的转动速度因此被人为的定义出来。然而这种技术是一个不可忽视的噪声源，这是因为对应于每次经过死区的随机相位的累加的“随机漫步(ramdom walk)”现象。

为了消除这些缺陷，另一种激光陀螺仪已经被发明出来。该物理结构主要包括使四个而不是两个波同时存在于腔中，对应两个正交偏振状态和两个反向传播方向。在K.Andringa的专利US 3 854 819中描述了此类设备。这类激光器，也被称为“多振荡器激光陀螺仪”，涉及磁光频偏，当一直通过适当的重组存在于激光器腔中的四种模式来消除所述的磁光偏置的波动时，可以在激光陀螺仪的整个操作范围内消除“死区”效应，其中对大多数激光陀螺仪设备而言，磁光偏置不包括有太大漂移的源。

当然也可以制作具有固态放大介质的激光陀螺仪，例如一种泵浦激光器二极管(laser-diode-pumped)Nd:YAG晶体。由S.Schwartz，G.Feugnet，P.Bouyer，E.Lariontsev，A.Aspect以及J.-P.Pocholle在Phys.Rev.Lett.97，093902(2006)上发表的文章描述了这种激光陀螺仪。

在这些设备中，模式之间的竞争不再受到多普勒效应的平衡，正如在氦-氖气体激光陀螺仪中的情况一样，而是通过一个附加的稳定设备，例如产生与激光器的反向传输模式之间的强度差成比例的差分损失的反馈环的使用，这被称作“主动稳定”。虽然这种设备被证明对于在S.Schwartz，G.Feugnet和J.-P.Pocholle的专利US 7 548 572中描述的“两波”形式的固态激光陀螺仪的实现而言是相对简单的，但是对于它的“四波”形式的实现或是在S.Schwartz，G.Feugnet和J.-P.Pocholle的专利US 7 230 686中描述的多振荡器版本的实现而言更复杂了。图1显示了这种类型的激光陀螺仪，其主要包括：

-包括至少一个部分反射镜11的光学环形腔1，能够处理腔1外部的反向传播模式；

-固态放大介质2；

-控制一个光学旋转器(optical rotator)或两个光学旋转器4和5的从属装置3(图1中的点状箭头)；

-测量设备6；

-光学系统，包括：

-第一光学组件，包括第一非互易(non-reciprocal)的光学旋转器5和互易的光学旋转器4；

-第二光学组件，包括第一空间滤波设备7和第一偏振分光(polarization-splitting)光学元件8；

-第三光学组件，包括第二空间滤波设备10和第二偏振分光光学元件9，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

-第四光学组件，顺序包括第一四分之一波片12，第二非互易光学旋转器14和第二四分之一波片13，该第二四分之一波片13的主轴以90°垂直于第一四分之一波片的主轴。

发明内容

本发明的激光陀螺仪制作更方便。它采用多振荡器固态激光陀螺仪，不再采用作用于差分损失上的主动稳定设备，而是采用在激光器腔中具有非线性效应的被动稳定设备，该设备更容易实现。

更确切的，本发明的主题是一种用于测量角速度或者沿着定义的转动轴的相对角位置的激光陀螺仪，所述激光陀螺仪至少包括：

-光学环形腔；

-固态放大介质；以及

-非互易磁光设备(non-reciprocal magneto-optic device)。

这些组件被设置为使得四个传播模式可以在腔中传播，第一传播模式和第三传播模式在同一方向被线性地偏振，第二传播模式和第四传播模式垂直于第一模式和第三模式被线性地偏振，在腔内第一传播模式和第二传播模式在第一方向上进行传播，在腔内第三传播模式和第四传播模式在相反的方向上进行传播，并且磁光设备在传播于第一方向上的模式和传播于相反方向上的模式之间引入频偏(frequencybias)，

其特征在于所述腔还包括稳定器设备，用于在基本上等效的程度上稳定四个传播模式的强度，所述设备包括至少一个由倍频类非线性晶体(non-linear crystal of the frequency-doubling type)制作而成的光学元件。

优选地，该光学元件是双折射晶体，设计用以从具有第一光学频率的传播模式产生具有第二光学频率的光束，该第二光学频率是第一光学频率的两倍。

有利地，在第一配置中，稳定器设备包括两个同样的由双折射晶体制作而成的光学元件，其中所述晶体为具有平行平面的片状结构，该平面与不同传播模式的传播轴垂直，这两个元件通过共用的表面被组装，并且第一元件的晶轴(crystallographic axis)垂直于第二元件的晶轴。光学元件可以由β-硼酸钡(BBO或βBaB₂O₄)晶体制作而成。

有利地，在第二配置中，光学元件包括一堆有规则的交替的具有相同厚度的薄片层，其中薄片层由相同的负单轴双折射晶体制作而成，不同层的表面与不同的传播模式的传播轴垂直，每层的光轴与层平面平行并且在不同层指向同样的方向，不同传播模式的偏振方向与所述的光轴呈45°定向，每层的有效的非线性系数的符号与在其之后的薄层的符号相反。在这种情况下，每层的厚度(∧)等于∧＝2mL_c，m是奇数，L_c表示相干长度(coherence length)，L_c等于

并且n₂和n₁分别是在第二光学频率和第一光学频率下的晶体的光学指数(optical indices)。该光学元件可以由铌酸锂(LiNbO₃)制作而成。

有利地，放大介质作为稳定器设备。在这种情况下，放大介质由掺钕三硼酸氧钙钇(YCOB或者YCa₄O(BO₃)₃)或者掺钕四硼酸铝钇(YAB或者YAI₃(BO₃)₄)构成。

附图说明

通过阅读以下的通过非限制实施例和附图的描述，本发明更容易理解并且其它的优点将显现出来，其中：

-已经描述过的图1表示根据现有技术具有四个传播模式的固态激光陀螺仪；

-图2表示根据本发明具有四个传播模式的固态激光陀螺仪；

-图3表示倍频晶体器件的操作原理；

-图4表示循环于腔中的四个传播模式的不同频率；

-图5表示对于操作于相位调谐模式下的晶体，在给定方向上线性偏振的传播模式的倍频原理；

-图6表示对于操作于相位调谐模式下的设备，在给定方向上线性偏振的传播模式以及在垂直方向上线性偏振的传播模式的倍频原理；以及

-图7表示对于操作于准相位调谐模式下的设备，在给定方向上线性偏振的传播模式以及在垂直方向上线性偏振的传播模式的倍频原理。

具体实施方式

图2给出本发明的原理的框图。它主要包括：

-包括至少一个部分反射镜11的光学环形腔1，用于处理腔1外部的反向传播模式。在图2中，所述腔共具有四个平面镜。为了保证腔的光学稳定性，腔的至少一个镜可以被弯曲；

-固态放大介质2；

-测量设备6。对本领域的技术人员而言，这种设备是众所周知的并且在本发明内容中不再详细描述；

-包括光学组件的光学系统，所述光学组件顺序包括第一四分之一波片12，第二非互易光学旋转器14以及第二四分之一波片13，该第二四分之一波片的主轴与第一四分之一波片的主轴成90°；以及

-用于稳定传播模式强度的稳定器设备20，包括至少一个由倍频类非线性晶体制作而成的光学元件。术语“倍频器件”被理解为如图3所示的器件，这就是说，当光波B_ω以频率ω通过设备20时，传播光束中的一部分被该设备转换成产生于频率2ω的波束B_2ω。

四个传播模式在腔内传播，第一传播模式和第三传播模式在同一方向被线性地偏振，第二传播模式和第四传播模式在垂直于第一模式和第三模式的方向上被线性地偏振，在腔内第一传播模式和第二传播模式在第一方向上进行传播，在腔内第三传播模式和第四传播模式在相反的方向上进行传播。

固态增益介质可以例如是如图2所示的由激光二极管15泵浦的Nd:YAG晶体。为了通过激光二极管15传输光辐射输出，腔的至少一个镜被加工。这种介质必须能够为两种偏振状态提供基本上等效的增益，以允许沿着两个垂直的偏振轴偏振的传播模式的产生和循环。使用诸如Nd:YVO₄的这种偏振增益介质因此被排除在外。有利地，增益介质可以由沿它的晶轴切割的Nd:YAG晶体组成并且根据激光器腔的特征状态来确定方向，正如在S.Schwartz，G.Feugnet和J.-P.Pocholle的专利申请WO 2009/077314中描述的一样，以此来将正交模式之间的耦合最小化。在后者的情况中，所使用的泵浦(pumping)是去偏振的，或者是以45°角线性偏振于晶体轴。

磁光偏置发生器提供了反向传播模式的分频(frequency splitting)并且因此消除了“死区”效应。如图2所示，这种元件通常包括两个四分之一波片，所述两个波片放置于法拉第旋转器的任意一侧，其中法拉第旋转器可以例如是置于螺旋管(solenoid)中的晶体。在该元件之外呈线性的腔的特征状态在第一四分之一波片的作用下变成圆形的(circular)，并且在第二波片的作用下在重新变成线性之前经历与法拉第旋转器的磁场成比例的相移(phase shift)。

由此定义的激光器腔的特征状态在磁光偏置发生器外是线性的并且在其内是圆形的。与这些特征状态关联的特征值主要由三个潜在的影响源决定；

-腔的残留的双折射；

-磁光偏置发生器；以及

-由于腔转动产生的萨尼亚克(Sagnac)效应。

多振荡器激光陀螺仪的原理包括调节第一两个偏置源使得腔的四个模式的频率分离从而消除死区以及获得独立于所述偏置波动的线性的萨尼亚克(Sagnac)响应。本发明的这个原理在图4中进行描述。该图给出了在上述的不同影响作用下的激光器腔的四个特征模式的特征频率F₁₊，F_1-，F₂₊，F_2-。两对正交模式(由1和2来表示)通过腔的双折射达到频率分离。两对反向传播模式(由+和-来表示)通过磁光偏置发生器以及当激光器转动时通过萨尼亚克效应达到频率分离。接着，通过在相同偏振状态的模式之间引起拍频(beating)来检测信号，其中该相同偏振状态的模式一方面被命名为(1+)和(1-)模式并在另一方面被命名为(2+)和(2-)。如果磁光偏置被称为ΔF_FARADAY并且由萨尼亚克(Sagnac)效应引入的频差被称为ΔF_SAGNAC，那么(1+)和(1-)模式之间的拍频将提供ΔF_FARADAY-ΔF_SAGNAC的测量值，而(2+)和(2-)模式之间的拍频将提供ΔF_FARADAY+ΔF_SAGNAC的测量值。通过对这两个测量值求差，获得独立于任何偏置值波动的2ΔF_SAGNAC。这个设备还具有敏感度是传统激光陀螺仪敏感度的两倍的优势。

需要注意的是可以使用腔的非平面的配置，其中，腔的特征状态是圆形的。氦-氖多振荡器激光陀螺仪可以采用这种配置。在这种情况下，用于产生磁光偏置的设备单独仅由不具有四分之一波片的法拉第旋转器构成。测量原理是一样的。

如上所述，用于稳定具有基本上等效程度的四个传播模式强度的设备包括至少一个由倍频类非线性晶体制作而成的光学元件。原理如下：由于倍频与原始模式的强度成比例，因此对于腔内的每一种模式，模式的强度越高则设备引入的损耗越大，因此稳定激光器的双向操作。为了保证四个模式同时存在于腔内，在相应于激光器的特征模式的两个正交偏振状态上进行倍频是必要的。令倍频光束不在腔内传播是重要的，以此防止主要的模式被寄生。为此，在倍频时，通过处理腔内的镜有意识地引入大的损耗是有益的，这就是说在倍频时镜的处理具有一个低的反射系数。到目前为止，这不存在技术困难，原则上，加倍的频率会很好地远离原始频率。

假设每单位时间的加倍强度可以表示为KI/I_SAT，K为加倍系数，I为加倍模式的强度以及I_SAT为饱和度，那么自稳定条件可以表示成K＞γ/(2Ω²T₁ ²)，其中γ是每单位时间的损耗水平，Ω是由磁光设备引入的频偏以及T₁是受激能级的生命时间，通常为几百微秒的数量级。

制造倍频器件具有多种可能配置。正如非限制性的例子，下述的配置由双折射晶体制作而成。事实上众所周知，为了在给定材料的情况下能够进行倍频，那么该材料的光学指数必须满足被称为相位调谐条件(phase tuning condition)的特性。相位调谐条件令对应于基本角频率ω和谐波角频率2ω的波向量

和

相等，这可以表示成：

${\stackrel{\→}{k}}^{2\mathrm{\ω}}=2{\stackrel{\→}{k}}^{\mathrm{\ω}}$

其中n^Ω是在Ω域的频率角上的折射率。结果在条件n^2ω＝n^ω中。

决定各向同性的固态介质的折射率的频谱扩展的规律不能得到上述的等式。只有使用各向异性双折射材料才有可能获得上述条件。在双折射介质中，折射率取决于通过它的光束的偏振方向。然而，至少存在一个优选的方向，在该方向上折射率不取决于偏振方向。这个方向被称为介质的光轴。在图5，6和7中用轴Z表示该方向并用白色箭头表示。在自然介质中，区别存在于：

-单轴介质具有单一的光轴；以及

-双轴介质具有两个光轴。

单轴介质具有两个主折射率，被称为寻常折射率(ordinary index)和非常折射率(extraordinary index)。通常，它们被各自表示为n_o和n_e。折射率差Δn等于n_e-n_o，被称为介质的双折射。沿光轴Z的差值Δn为零，而在垂直于这个轴的方向上达到最大。依照该双折射的符号可以区分两种情形：

-Δn＞0：该媒质被称为正单轴介质；

-Δn＜0：该媒质被称为负单轴介质。

接下来，将重点描述具体采用单轴双折射晶体的设备。

图5给出了参考坐标系(x，y，z)中光轴Z上的双折射晶体21中的偏振模式的传播。采用下述的传统的方法。x轴朝向模式的传播方向，即，沿着波矢量

的方向。包含Z轴和入射场的波矢量的(x，z)平面被称为主平面。该平面中的Z轴与x轴构成角θ。垂直于该平面的该场的偏振状态Po定义了一个寻常波，表示为“o”，而位于主平面上的偏振状态Pe定义了一个非常波，被称为“e”。寻常波的折射率不取决于传播方向，而这不同于非常波。因此，各向异性晶体的折射率取决于所述波的偏振状态及其相对于晶体主轴的传播方向。对于与Z轴成角θ的传播，非常波可见一个有效的非常折射率：

$\frac{1}{{\left(n_e\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}^2}=\frac{{\cos }^2\mathrm{\θ}}{{\left(n_o\right)}^2}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\θ}}{{\left(n_e\right)}^2},$ 即又： $n_e\left(\mathrm{\θ}\right)=n_o{\left(\frac{1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}}{1+{(n_o/n_e)}^2{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}}\right)}^{1/2}.$

已知对应波长的不同光学指数(optical indices)的变化，对于给定的材料和已知波长的传播模式，就可以确定是否存在用于获得相位调谐的定向角θ的范围。因此，通过采用β-硼酸钡(BBO或βBaB₂O₄)晶体就可能获得能够执行倍频操作的相位调谐。对于这种晶体，内相位调谐角θ_AP大约为23°。

倍频稳定器设备必须对两个偏振状态都进行操作。为了达到这种功能，首尾连接安装的两个晶体21和22被插入到腔内，所述晶体的晶向被转过90°，以便于在腔内循环的反向传播光波的两种偏振状态被单独地处理。图6给出了这种结构的分解图。在现实中，晶体21和22被结合在一起。不论是何种偏振状态，通过两个晶体产生的倍频是相同的。如果晶体是通过直接结合(也被称为分子附着力)被组装起来的，那么在单片式配置中寄生反射效应被减弱了。作为举例，当传播波长为1.064μm时，寻常折射率和有效的非常折射率之间的差值n_o-n_e eff＝1.86×10^-2。

一种用于相位调谐的替代方式包括使用被称为QPT(准相位调谐，quasi phase tuning)设备。正如所述的那样，如果没有得到理想的相位调谐，倍频将不能实现。然而，已被证明的是：如果相位失配被周期性的调为零，那么可以再次实现倍频。为了获得这种属性，倍频器件具有由同样材料组成的晶层23构成的周期结构24，在该材料中每层的有效的非线性系数的符号与下一薄层的该符号相反，正如图7描述的那样，其中的每层的非线性系数δ_eff的定向通过灰色箭头表示。

这种非线性系数的反转(reversal)的空间周期∧为：∧＝2mL_c，其中m是准相位调谐的相序(the order of the quasi phase tuning)并且等于奇数，以及L_c表示相干长度，为

其中λ^ω是非加倍模式的波长，n^ω是频率为ω的光学指数，并且n^2ω是加倍频率2ω的光学指数。相应于这种相互作用的频率调谐条件是：

其中

是对非线性系数进行反转时周期晶格的波向量。

正如所述的那样，依赖于与主平面有关的场的偏振状态P，寻常输入波“o”和非常波“e”可以被定义。为这两个波获得准相位调谐是可能的。同样的，倍频输出波也可以是寻常波或非常波。因此，基于输入和输出波是全寻常波还是全非常波，这种相互作用被称为“eee”或“ooo”。因此，已经被证明的是：对于相序为1的负单轴LiNbO₃晶体，当相互作用是“eee”时，周期等于∧＝6.807μm，这是最有效的。如图6所示，这对应于与根据非线性系数的符号周期性交替的层的平面相垂直的光轴。接着，有效的非线性系数被等式

表示，其中d_ij表示所述非线性张量的项，该张量依赖于沿o轴或e轴激励的条件。因此如图6所示，通过将两个反向传播的波耦合到与Z轴成45°的非线性晶体上，相互作用可以被对称。

有利地，增益介质和被动稳定晶体是由同一掺杂材料组成的，该物质具有所需要的非线性特性以同时确保放大和倍频。

Claims (10)

1.一种激光陀螺仪，用于测量角速度或沿定义的转动轴的相对角位置，所述陀螺仪至少包括：

-光学环形腔(1)；

-固态放大介质(2)；以及

-非互易磁光设备(12，13，14)，

这些组件被设置为使得四个传播模式能够在腔中传播，第一传播模式和第三传播模式在同一方向被线性地偏振，第二传播模式和第四传播模式在垂直于第一模式和第三模式的方向上被线性地偏振，在腔内第一传播模式和第二传播模式在第一方向上进行传播，在腔内第三传播模式和第四传播模式在相反的方向上进行传播，并且所述磁光设备在传播于第一方向上的模式和传播于相反方向上的模式之间引入频偏，

其特征在于所述腔还包括稳定器设备(20)，用于在基本上等效的程度上稳定四个传播模式的强度，所述设备包括至少一个由倍频类非线性晶体制作而成的光学元件(21，22，24)。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于所述光学元件(21，22)是双折射晶体，设计用以从具有第一光学频率(λ₁)的传播模式产生具有第二光学频率(λ₂)的光束，该第二光学频率是第一光学频率的两倍。

3.根据权利要求2所述的激光陀螺仪，其特征在于所述稳定器设备(20)包括两个同样的由双折射晶体制作而成的光学元件(21，22)，其中所述晶体为具有平行平面的片状结构，该平面与不同传播模式的传播轴垂直，这两个元件通过共用的表面被组装，并且第一元件的晶轴垂直于第二元件的晶轴。

4.根据权利要求2或3所述的激光陀螺仪，其特征在于所述光学元件(21，22)是由β-硼酸钡(BBO或βBaB₂O₄)晶体构成。

5.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于所述光学元件(24)包括一堆有规则的交替的具有相同厚度的薄片层(23)，所述薄片层由相同的负单轴双折射晶体制作而成，不同层的表面与不同的传播模式的传播轴垂直，每层的光轴与层平面平行并在不同层指向相同的方向，不同传播模式的偏振方向与所述光轴呈45°定向，每层的有效的非线性系数的符号与随后的薄层的符号相反。

6.根据权利要求5所述的激光陀螺仪，其特征在于每层的厚度(∧)等于∧＝2mL_c，m是奇数，L_c表示相干长度，L_c等于

并且n₂和n₁分别是在第二光学频率和第一光学频率下的晶体的光学指数。

7.根据权利要求5所述的激光陀螺仪，其特征在于所述光学元件(24)由铌酸锂(LiNbO₃)构成。

8.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于所述放大介质(2)作为稳定器设备。

9.根据权利要求8所述的激光陀螺仪，其特征在于所述放大介质(2)由掺钕三硼酸氧钙钇(YCOB或者YCa₄O(BO₃)₃)构成。

10.根据权利要求8所述的激光陀螺仪，其特征在于所述放大介质(2)由掺钕四硼酸铝钇(YAB或者YAI₃(BO₃)₄)构成。

Images