CN102506845A

CN102506845A - 低损耗测量方法及基于低损耗测量的环形谐振腔装调系统

Info

Publication number: CN102506845A
Application number: CN201110300554XA
Authority: CN
Inventors: 王珂; 徐宏财; 陆志东; 韩宗虎; 王京献; 叶萍
Original assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Current assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明属于激光技术，涉及一种环形激光谐振腔的低损耗测量方法及其装调系统。本发明通过测量环形激光谐振腔内光波本征模式的光强衰减特征时间，实现对低损耗的精确测量。另外，本发明环形激光谐振腔装调系统包括激光器，声光开关，注入光束调节装置，调腔工装，光电接收器，声光开关控制回路，信号采集处理单元，激光器腔长控制电路，其中，激光器连接有激光器腔长控制电路，同时激光器依次经声光开关和注入光束调节装置连接到环形激光谐振腔，所述光电接收器连接在环形激光谐振腔上，光电接收器与声光开关之间还连接有声光开关控制回路。借助该系统，可以很好的完成环形激光谐振腔的装调，这对于提高激光陀螺性能和陀螺生产合格率有重要意义。

Description

低损耗测量方法及基于低损耗测量的环形谐振腔装调系统

技术领域

本发明属于激光技术，涉及一种环形激光谐振腔的低损耗测量方法及其装调系统。

背景技术

激光陀螺是一种精密的光学惯性器件，广泛应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理基于Sagnac效应，即在闭合回路内相向运行一对行波，当闭合回路相对惯性空间发生转动时，相向行波每圈的光程差正比于回路转动速度。通过探测相向行波的谐振频率差就能获得回路的转动速度。激光陀螺的核心器件是环形激光谐振腔，环形激光谐振腔装调的好坏直接关系到激光陀螺的性能和精度。

环形激光谐振腔的装调效果一般是通过测量腔损耗来判断。借助于环形激光谐振腔装调装置，调腔人员可以一边调整谐振腔，一边实时监测腔损耗大小。腔损耗越小，说明调腔效果越好。长期以来，测量环形激光谐振腔损耗的方法均是将频率线性变化的激光入射进环形激光谐振腔，用光电接收器接收透射光波信号，绘出光强谱线图，谱线为洛伦兹形式，其半高宽正比于环形激光谐振腔损耗，通过测量谱线半高宽就能获得损耗。这种方法能较好的适用于高于500ppm损耗的测量，但在测量低于500ppm的损耗时，由于环形激光谐振腔内存在的光束干涉效应趋于明显，使得谱线形状严重偏离洛伦兹线型(如图5a所示)，其半高宽已经无法代表腔损耗，从而导致损耗测量不准确，调腔效果难以判断。

随着激光陀螺工艺水平，特别是反射镜镀膜水平的提高，环形激光谐振腔损耗近几十年来一直在下降。目前高精度激光陀螺环形激光谐振腔损耗已普遍处于200ppm～300ppm的水平，传统的损耗测量方法和调腔装置已经难以保证这类环形激光谐振腔的装调效果，影响到了高精度激光陀螺的性能和生产合格率。

发明内容

本发明的目的是：为了精确测量环形激光谐振腔的损耗，提高这类谐振腔的装调质量，本发明提供了一种能够精确测量低于500ppm损耗的环形激光谐振腔测量方法。

另外，本发明还提供一种环形激光谐振腔装调系统。

本发明的技术方案是：一种环形激光谐振腔装调系统，其包括激光器，声光开关，注入光束调节装置，调腔工装，光电接收器，声光开关控制回路，信号采集处理单元，数据显示设备，激光器腔长控制电路，其中，激光器连接有激光器腔长控制电路，同时激光器依次经声光开关和注入光束调节装置连接到环形激光谐振腔上，所述光电接收器连接在环形激光谐振腔上，同时经信号采集处理单元相连，另外，光电接收器与声光开关之间还连接有声光开关控制回路。

所述声光开关由声光晶体和驱动电路组成。

所述注入光束调节装置由共光轴的可二维倾角调节的反射镜A、可二维倾角调节的反射镜B、可绕水平轴转动的平面透镜A、可绕竖直轴转动的平面透镜B和可绕表面法线转动的二分之一波片组成。

一种环形激光谐振腔低损耗测量方法，其步骤如下：

步骤1：搭建并调节光路，激光束经过声光开关后产生1级衍射光束，使1级衍射光束穿过注入光束调节装置后入射到待测环形激光谐振腔；

步骤2：调节注入光束调节装置，使得入射激光束的传播方向、空间位置及偏振态与待测环形激光谐振腔的光波本征模式相一致；

步骤3：对激光器腔长进行周期性扫描。在每一个扫描周期内，当1级衍射光束的光波频率与环形激光谐振腔某个本征模式的频率一致时，光电接收器输出一个脉冲信号；

步骤4：当脉冲信号达到峰值点时，声光开关控制回路促使声光开关瞬时切断1级衍射光束，此后待测环形激光谐振腔内剩余光波的强度开始衰减。当衰减过程结束后，声光开关控制回路促使声光开关重新恢复1级衍射光束；

步骤5：记录待测环形激光谐振腔内剩余光波衰减过程中的光强，得到一组光强衰减数据I(t)。对光强衰减数据I(t)进行拟合，得到衰减特征时间τ，再进一步计算得到待测环形激光谐振腔的损耗δ。

在每一个扫描周期内，当光电接收器输出多个脉冲信号时，声光开关进行多次切断和恢复动作，由多组光强衰减数据I(t)_i得到对应不同模式的特征时间τ_i，从而实现对环形激光谐振腔不同模式损耗δ_i的测量。

本发明的有益效果是：本发明环形激光谐振腔低损耗测量方法通过测量环形激光谐振腔内光波本征模式的光强衰减特征时间，实现了对500ppm以下低损耗的准确测量，其测量精度高，操作方便。另外，借助本发明环形激光谐振腔装调系统，可以很好的完成环形激光谐振腔的装调，这对于提高激光陀螺性能和陀螺生产合格率有重要意义。

附图说明

图1是本发明环形激光谐振腔装调系统一较佳实施方式的示意图；

图2是图1中注入光束调节装置的示意图；

图3是本发明环形激光谐振腔装调系统一较佳实施方式的光路图；

图4a是本发明中激光器的输出光频率示意图；

图4b是假设1级衍射光束不被切断时，光电接收器输出信号示意图；

图4c是本发明环形激光谐振腔装调系统中光电接收器输出信号示意图；

图5a是图4b部分细节的放大，图5b是图4c部分细节的放大；

图6是本发明中光强衰减数据拟合处理示意图，

其中，1-激光器，2-声光开关，3-注入光束调节装置，4-调腔工装，5-光电接收器，6-声光开关控制回路，7-信号采集处理单元，8-数据显示设备，9-激光器腔长控制电路，10-环形激光谐振腔，31-可二维倾角调节的反射镜A，32-可二维倾角调节的反射镜B，33-可绕水平轴转动的平面透镜A，34-可绕竖直轴转动的平面透镜B，35-可绕表面法线转动的二分之一波片。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步的说明：

请参阅图1，其是本发明环形激光谐振腔装调系统一较佳实施方式的原理示意图。本实施方式中，所述环形激光谐振腔装调系统包括激光器1，声光开关2，注入光束调节装置3，调腔工装4，光电接收器5，声光开关控制回路6，信号采集处理单元7，数据显示设备8，激光器腔长控制电路9，其中，激光器1连接有激光器腔长控制电路9，同时激光器1依次经声光开关2和注入光束调节装置3连接到环形激光谐振腔10上，所述光电接收器5连接在环形激光谐振腔10上，同时经信号采集处理单元7与数据显示设备8相连，另外，光电接收器5与声光开关2之间还连接有声光开关控制回路6。

本实施方式中，所述激光器1为线偏振He-Ne激光器，波长632.8nm，工作在单纵模和基横模状态。激光器1的其中一个腔镜上安装有压电陶瓷，腔镜可在压电陶瓷的驱动下沿腔镜法线运动，从而改变激光器腔长和输出光的频率。

所述激光器腔长控制电路9对腔镜上的压电陶瓷施加周期为T的锯齿波，激光器的输出光频率呈现图4a中的变化形式。

所述声光开关2由声光晶体和驱动电路组成。激光器1的输出光以布拉格角入射到声光晶体2。由于声光效应，声光晶体2的出射光分为两束，0级光束和1级衍射光束。1级衍射光束入射到注入光束调节装置3。驱动电路可以控制声光晶体内声光效应的有无，进而控制1级衍射光束的有无，从而起到声光开关的作用。

所述注入光束调节装置3可以调节由其出射光束的倾角、位置和偏振面方向，从而与环形激光谐振腔10光波本征模式的传播方向、空间位置和偏振态实现较好的匹配。请参阅图2，其是注入光束调节装置3的结构示意图。所述注入光束调节装置3由共光轴的可二维倾角调节的反射镜A31、可二维倾角调节的反射镜B32、可绕水平轴转动的平面透镜A33、可绕竖直轴转动的平面透镜B34和可绕表面法线转动的二分之一波片35组成。其中，所述反射镜A31和反射镜B32可以调节出射光束的倾角，并且通过两者的配合，还可以在保持出射光束角度不变的情况下实现出射光束空间位置的粗调。平面透镜A33可以精细调节出射光束在竖直方向上的位置，平面透镜B34可以精细调节出射光束在水平方向上的位置，以实现对光束空间位置的细调，使得光束沿谐振腔光轴入射。所述二分之一波片35用于调整光束的偏振面，通过旋转二分之一波片可以连续调节出射光束偏振面的方向，使其与环形激光谐振腔光波本征模式的偏振面方向一致。

所述调腔工装4用来安装待装调的环形激光谐振腔10，并可以调节该谐振腔反射镜与腔体的相对位置，以实现对谐振腔的调整。对于反射镜与腔体相对位置的调整可以通过二维位移机构来实现。当认为调整已达到最佳时，一般通过按压反射镜使其与腔体光胶的方式来结束调腔操作。

所述光电接收器5由光电二极管和前置放大电路构成，用来探测环形激光谐振腔10出射光的强度。由于激光器1输出光频率的周期性扫描，光电接收器5的输出信号呈现图4b和图5a所示波形，其中，图5a为图4b的局部放大图。

所述信号采集处理单元7可为普通的信号采集和处理单元，对光强衰减数据进行拟合处理后得到衰减特征时间，进而得到谐振腔损耗。

所述声光开关控制回路6在输入信号出现脉冲峰值的时刻t₀，通过控制声光晶体驱动电路来消除1级衍射光束，此时将不再有激光能量注入到环形激光谐振腔，环形激光谐振腔内部光波的强度将逐渐衰减，其透射出腔外的光波将同步衰减。由于激光器1输出光频率的周期性扫描，以及声光开关控制回路6的控制作用，光电接收器5的输出信号呈现图4c和图5b所示波形，其中，图5b是图4c的局部放大图。请参阅图6，其是本发明中光强衰减数据拟合处理示意图，光强衰减过程呈现指数函数形式：

I(t)＝I(t₀)exp[-(t-t₀)/τ] (1)

其中，t0是1级衍射光束被切断的时刻，τ为衰减特征时间。

衰减特征时间τ与谐振腔损耗δ之间有如下关系式：

δ = \frac{L}{cτ} - - - (2)

其中，L是待测环形激光谐振腔的腔长，c是光速。

信号采集处理单元7采集光电接收器5的输出信号后，利用表达式(1)对数据进行拟合，得到衰减特征时间τ，再利用表达式(2)计算得到环形激光谐振腔10的损耗δ。

本发明环形激光谐振腔装调系统基于环形激光谐振腔低损耗测量方法，该方法的详细步骤如下：

步骤5：记录待测环形激光谐振腔内剩余光波在其衰减过程中的光强，得到一组光强衰减数据I(t)。利用表达式(1)对光强衰减数据I(t)进行拟合，得到衰减特征时间τ，再利用表达式(2)计算得到待测环形激光谐振腔的损耗。

从表达式(2)可以看出，环形激光谐振腔损耗与衰减特征时间成反比，因此腔损耗越小，腔内光波的衰减过程持续时间越长，能够获得的光强衰减数据量越大，拟合误差越小，损耗测量精度越高。本发明提供的环形谐振腔低损耗测量方法，损耗测量精度可达1ppm。

综上所述，本发明环形激光谐振腔低损耗测量方法通过测量环形激光谐振腔内光波本征模式的光强衰减特征时间，实现了对500ppm以下低损耗的准确测量，其测量精度高，操作方便。另外，借助本发明环形激光谐振腔装调系统，可以很好的完成环形激光谐振腔的装调，这对于提高激光陀螺性能和陀螺生产合格率有重要意义。

Claims

1.一种环形激光谐振腔装调系统，其特征在于：包括激光器，声光开关，注入光束调节装置，调腔工装，光电接收器，声光开关控制回路，信号采集处理单元，激光器腔长控制电路，其中，激光器连接有激光器腔长控制电路，同时激光器依次经声光开关和注入光束调节装置连接到环形激光谐振腔上，所述光电接收器连接在环形激光谐振腔上，同时经信号采集处理单元与数据显示设备相连，另外，光电接收器与声光开关之间还连接有声光开关控制回路。

2.根据权利要求1所述的环形激光谐振腔装调系统，其特征在于：所述声光开关由声光晶体和驱动电路组成。

3.根据权利要求2所述的环形激光谐振腔装调系统，其特征在于：所述注入光束调节装置由共光轴的可二维倾角调节的反射镜A、可二维倾角调节的反射镜B、可绕水平轴转动的平面透镜A、可绕竖直轴转动的平面透镜B和可绕表面法线转动的二分之一波片组成。

4.一种环形激光谐振腔低损耗测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤5：记录待测环形激光谐振腔内剩余光波在其衰减过程中的光强，得到一组光强衰减数据I(t)。利用表达式(1)对光强衰减数据I(t)进行拟合，得到衰减特征时间τ，再利用表达式(2)计算得到待测环形激光谐振腔的损耗δ：

I(t)＝I(t₀)exp[-(t-t₀)/τ] (1)

其中，t₀是1级衍射光束被切断的时刻，τ为衰减特征时间，

δ = \frac{L}{cτ} - - - (2)

其中，L是待测环形激光谐振腔的腔长，c是光速。

5.根据权利要求4所述的环形激光谐振腔低损耗测量方法，其特征在于：在每一个扫描周期内，当光电接收器输出多个脉冲信号时，声光开关进行多次切断和恢复动作，由多组光强衰减数据I(t)_i得到对应不同模式的特征时间τ_i，从而实现对环形激光谐振腔不同模式损耗δ_i的测量。