CN102538776B - 基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，在安装板上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连，其特征在于：所述的光源为量子光源；所述的耦合器为：在安装板水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器；所述的检测器为：在安装板上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。本发明具有设计合理、测量误差小、灵敏度高等优点，可作为高灵敏度干涉型光纤陀螺仪应用于地球自转测量等领域。

Description

基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪

技术领域

本发明属于干涉型光纤陀螺仪技术领域，具体涉及到一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪。

背景技术

光纤陀螺仪是利用光学Sagnac效应实现对转动检测的新型全固态惯性传感器件。光纤陀螺仪与传统的机械陀螺仪相比，优点是全固态，没有旋转部件和摩擦部件，使用寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻。与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，也不用在石英块上精密地加工出光路，成本低；而且光纤陀螺覆盖了很宽的性能范围(精度可达到5×E-4°/h～0.1°/h)，能根据使用对象的要求，实现高、中、低不同精度的产品。因此，光纤陀螺仪不仅在飞机上用于导航，而且在航天器制导、卫星定位、汽车定向、智能机器人、天文望远镜等多方面得到广泛推广使用。此外，发展高灵敏度的光纤陀螺仪也将在转动地震学、测地学、宏观相对论检验等科学技术领域发挥重要作用。

现代光纤陀螺仪根据其工作方式主要分为干涉型光纤陀螺仪和谐振型光纤陀螺仪两种，它们都是根据Sagnac理论发展起来的：即当光纤环路转动时，在不同的前进方向上的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪，如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，也就是通过调整光纤环路的光的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可以制造出谐振式的光纤陀螺仪。干涉式陀螺仪通常工作在零光程差附近的几个干涉条纹内，所以它所要求的光源可以有较大的频谱宽度，从而可以大大减少光纤中传输的许多寄生效应；谐振式的陀螺仪在实现干涉时，它的光程差较大，所以它所要求的光源必须有很好的单色性。因此，世界各国争相开发基于干涉型光纤陀螺技术的实用产品，并不断研究高灵敏度的干涉型光纤陀螺仪技术。

现有的全光纤干涉型光纤陀螺仪的光源通常采用宽带超辐射发光二极管作为光源，耦合器是一个3dB光纤分路器，用于正向的光功率输入到光纤线圈中，同时也将光纤线圈中的合路光信号输出到光干涉探测器上。Y分支采用分离的光纤分路器、光纤偏振器件、光纤相位调制器(PZT压电陶瓷光纤相位调制器)组成，它用于3dB光分路(光功率50％∶50％)、光起偏检偏以及光信号的调制。从耦合器输出的光信号在Y分支处起偏，同时由光纤分路器分成两束，形成光纤线圈中反向传输的光束。由于萨纳克效应，两路光信号通过光纤线圈回到Y分支处合路时，两路光信号之间产生的相位差正比于光纤线圈感应到的旋转速Ω。因此，通过检测两束光的相干光强可以测出光纤线圈的萨纳克相移，从而测出光纤线圈的转动角速度。然而，现有的光纤干涉式陀螺仪的探测灵敏度受散粒噪声的限制。为提高旋转速率的测量灵敏度，在光纤线圈半径一定的条件下，必须增加光纤长度。然而，传感环光纤长度越长，其所处空间温度场随时间变化引入的测量相位误差越难以克服。同时，光纤长度越长，伴随的单模光纤的双折射特性导致的寄生相位差、光纤中的反向散射和寄生反射效应、以及光克尔效应等都会限制该陀螺仪的性能。此外，光源发出的光信号通过耦合器只有1/2光功率向前继续传输，且经过Y分支输出的干涉光需再次通过耦合器送到探测器进行光信号相位信息检测，这样整个过程中只有1/4的光功率得到了利用，光功率利用率低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述干涉型光纤陀螺仪所存在的缺点，提供一种灵敏度高的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在安装板上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连。上述的光源为量子光源。上述的耦合器为：在安装板水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器。上述的检测器为：在安装板上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。

本发明的第一50/50分束器为：包括第一半波片，第一半波片的快轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°，安装板水平光轴光出射方向设置有第一偏振分光镜，第一偏振分光镜垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器、光纤相位调制器，第一偏振分光镜的光出射方向设置有第二光纤耦合器，第一偏振分光镜垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置。

上述的量子干涉测量装置为：在安装板上经第一偏振分光镜垂直光轴正向光束传播方向上设置有第二半波片，安装板上第二半波片的光出射方向设置有第二偏振分光镜，安装板上在第二偏振分光镜的光出射方向设置有第二光子数分辨探测器，第二偏振分光镜的光反射方向设置有第一光子数分辨探测器，安装板上设置有符合计数器，符合计数器的一端通过导线与第一光子数分辨探测器相连、另一端通过导线与第二光子数分辨探测器相连。

本发明的第一半波片的波长范围为1500～1600nm，第二半波片的波长范围为1500～1600nm，第一光子数分辨探测器的探测波长范围为1500nm～1600nm，第二光子数分辨探测器的探测波长范围为1500nm～1600nm。

本发明的第一半波片的波长最佳为1550nm，第二半波片的波长最佳为1550nm。

本发明的第一半波片的波长范围与第二半波片的波长范围相等，第一光子数分辨探测器的探测波长范围与第二光子数分辨探测器的探测波长范围相等。

本发明的量子光源为：包括设置在安装板上飞秒脉冲激光器，飞秒脉冲激光器的激光出射水平光轴方向上设置有参量下转换装置，安装板上设置有通过导线与参量下转换装置相连的温控仪，该量子光源输出波长范围为1500～1600nm。

本发明的飞秒脉冲激光器的输出波长为755±10～795±10nm，长波通滤光片的截止波长取980nm，输出的孪生光场波长范围为1500～1600nm。

本发明采用飞秒脉冲激光通过参量下转换装置产生一对频率简并、偏振共交且共线传输的孪生光场，该孪生光场作为本发明涉及光纤陀螺仪的量子光源，未发生参量下转换过程的剩余飞秒脉冲光由一对长波通滤光片从输出的孪生光场中滤掉。为获得最小的光纤传输损耗，孪生光场的波长控制在1500～1600nm范围。采用快轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°的第一半波片与第一偏振分光镜组合构成一个50/50光束分束器，实现对孪生光场的分束与合束。光纤线圈两端的双折射主轴方向保持不变且沿水平偏振方向，光纤相位调制器用来补偿光纤线圈的双折射特性引入的两偏振正交光束间的相位差。

本发明采用在第一个50/50光束分束器的垂直光轴正向光束传播方向上设置量子测量装置，用来测量经过萨纳克相移作用后的孪生光场经过50/50分束器后，两个光子数可分辨探测器均接收到N个光子的符合计数速率，通过符合计数速率测量实现对光纤线圈旋转引起的相移φ的测量。光子数可分辨探测器的探测波长在1500～1600nm范围响应效率最高。相比传统光纤干涉式陀螺仪的探测灵敏度，本发明具有设计合理、测量误差小、灵敏度高等优点，可作为高灵敏度干涉型光纤陀螺仪应用于地球自转测量等领域。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪由飞秒脉冲激光器1、参量下转换装置2、长波通滤光片3、第一半波片4、第一偏振分光镜5、第一光纤耦合器6、光纤相位调制器7、光纤连接器8、单模双折射光纤线圈9、第二光纤耦合器10、第二半波片11、第二偏振分光镜12、第一光子数分辨探测器13、第二光子数分辨探测器14、符合计数器15、温控仪16、安装板17联接构成。

在安装板17上用螺纹紧固联接件固定联接安装有飞秒脉冲激光器1，飞秒脉冲激光器1为本发明提供激光泵浦源，激光泵浦源的飞秒脉冲激光器1的输出波长为795±10nm，激光出射的水平光轴方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有参量下转换装置2，安装板17上用螺纹紧固联接件固定联接安装有温控仪16，温控仪16通过导线与参量下转换装置2相连，飞秒脉冲激光器1、参量下转换装置2、温控仪16联接构成本实施例的量子光源，温控仪16对参量下转换装置2的温度进行控制，脉冲激光器1输出的激光经参量下转换装置2后，产生一对频率简并、偏振共交(分别为水平偏振和竖直偏振)、且与脉冲泵浦光束方向共线传输的孪生光场，孪生光场的输出波长为1590±10nm。安装板17水平光轴脉冲泵浦光束方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有长波通滤光片3，长波通滤光片3的截止波长为980nm，长波通滤光片3用于将剩余飞秒脉冲激光从输出的孪生光场中滤掉。飞秒脉冲激光器1、参量下转换装置2、温控仪16、长波通滤光片3连接构成本实施例的量子光源。

安装板17水平光轴光束传播方向上安装有第一半波片4，第一半波片4的快轴方向与水平偏振方向夹角被调节为22.5°，第一半波片4的波长为1600nm。安装板17水平光轴光出射方向安装有第一偏振分光镜5，第一偏振分光镜5将水平偏振方向的光场从第一偏振分光镜5透射输出，光场传播方向不发生改变，竖直偏振方向的光场从第一偏振分光镜5反射输出，光场传播方向相对于入射光场逆时针偏折90°。第一半波片4与第一偏振分光镜5组合构成一个50/50分束器。经过第一偏振分光镜5后，该孪生光场被分为两束光束。在安装板17上经第一偏振分光镜5垂直光轴负向光束传播方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第一光纤耦合器6、光纤相位调制器7、光纤连接器8，单模双折射光纤线圈9的一端固定在光纤连接器8上，从第一偏振分光镜5反射输出的光束首先被光纤耦合器6耦合到光纤相位调制器7中，然后由光纤连接器8传输到单模双折射光纤线圈9的一端。在安装板17上第一偏振分光镜5的光出射方向用螺纹紧固联接件固定联接安装有第二光纤耦合器10，单模双折射光纤线圈9的另一端固定安装在第二光纤耦合器10上，第一半波片4、第一偏振分光镜5、第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器10构成耦合器，从第一偏振分光镜5透射输出的光束被光纤耦合器10耦合到单模双折射光纤线圈9的另一端，光纤线圈9两端的双折射主轴方向保持不变且沿水平偏振方向，光纤相位调制器7用来补偿光纤线圈9的双折射特性引入的两偏振正交光束间的相位差。这两束偏振共交的光束反向传输通过光纤线圈9后，重新在第一偏振分光镜5合束并沿垂直于入射光束的方向输出。

在安装板17上经第一偏振分光镜5垂直光轴正向光束传播方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第二半波片11，第二半波片11的波长为1600nm，安装板17上第二半波片11的光出射方向安装有第二偏振分光镜12，安装板17上在第二偏振分光镜12的光出射方向固定联接安装有第二光子数分辨探测器14，第二偏振分光镜12的光反射方向固定联接安装有第一光子数分辨探测器13，第一光子数分辨探测器13的探测波长范围为1500～1600nm。安装板17上固定联接安装有符合计数器15，符合计数器15的一端通过导线与第一光子数分辨探测器13相连、另一端通过导线与第二光子数分辨探测器14相连，第二光子数分辨探测器14的探测波长范围为1500～1600nm。在第一偏振分光镜5合束并沿垂直于入射光束的方向输出的光再经由第二半波片11与第二偏振分光镜12组合构成的50/50分束器分开，分开后的两束光由第一光子数可分辨探测器13和第二光子数分辨探测器14接收，并产生相应的电脉冲信号送到符合计数器15中。第二半波片11、第二偏振分光镜12、第一光子数分辨探测器13、第二光子数分辨探测器14、符合计数器15、温控仪16连接构成本实施例的量子干涉测量装置。

实施例2

本实施例中，在安装板17上用螺纹紧固联接件固定联接安装有飞秒脉冲激光器1，飞秒脉冲激光器1为本发明提供激光泵浦源，激光泵浦源的飞秒脉冲激光器1的输出波长为775±10nm，孪生光场的输出波长为1550±10nm。水平光轴脉冲泵浦光束方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有长波通滤光片3，长波通滤光片3的截止波长为980nm，水平光轴光束传播方向上安装有第一半波片4，第一半波片4的快轴方向与水平偏振方向夹角被调节为22.5°，第一半波片4的波长为1550nm。安装板17水平光轴光出射方向安装有第一偏振分光镜5。

经第一偏振分光镜5垂直光轴正向光束传播方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第二半波片11，第二半波片11的波长为1550nm，第二半波片11的光出射方向安装有第二偏振分光镜12，在第二偏振分光镜12的光出射方向固定联接安装有第二光子数分辨探测器14，第二偏振分光镜12的光反射方向固定联接安装有第一光子数分辨探测器13，安装板17上固定联接安装有符合计数器15，符合计数器15的一端通过导线与第一光子数分辨探测器13相连、另一端通过导线与第二光子数分辨探测器14相连，第一光子数分辨探测器13的探测波长和第二光子数分辨探测器14的探测波长与实施例1相同。

其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，在安装板17上用螺纹紧固联接件固定联接安装有飞秒脉冲激光器1，飞秒脉冲激光器1为本发明提供激光泵浦源，激光泵浦源的飞秒脉冲激光器1的输出波长为755±10nm，孪生光场的输出波长为1510±10nm。水平光轴脉冲泵浦光束方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有长波通滤光片3，长波通滤光片3的截止波长为980nm，水平光轴光束传播方向上安装有第一半波片4，第一半波片4的快轴方向与水平偏振方向夹角被调节为22.5°，第一半波片4的波长为1500nm。

经第一偏振分光镜5垂直光轴正向光束传播方向上用螺纹紧固联接件固定联接安装有第二半波片11，第二半波片11的波长为1500nm，第二半波片11的光出射方向安装有第二偏振分光镜12，在第二偏振分光镜12的光出射方向固定联接安装有第二光子数分辨探测器14，第二偏振分光镜12的光反射方向固定联接安装有第一光子数分辨探测器13。安装板17上固定联接安装有符合计数器15，符合计数器15的一端通过导线与第一光子数分辨探测器13相连、另一端通过导线与第二光子数分辨探测器14相连，第一光子数分辨探测器13的探测波长和第二光子数分辨探测器14的探测波长与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

本发明所采用的工作原理如下所述。

飞秒脉冲光经过参量下转换产生的孪生光场的态函数可表示为：

$|\mathrm{\Ψ}>=\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2}\underset{N=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^N|{N>}_H|{N>}_V=\sqrt{1-{\mathrm{\λ}}^2}\underset{N=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}^N|{\mathrm{\Ψ}}_{2N}>$

其中λ(＜＜1)表示参量下转换过程中光与非线性晶体相互作用的强度，|Ψ_2N>＝|N>_H|N>_V表征一个偏振共交的孪生光子数态。在第一半波片4和第一偏振分光镜5组成的50/50光束分束器作用下，偏振共交的孪生光子数态|Ψ_2N>＝|N>_H|N>_V将演变为一个总平均光子数为2N的双模混合光场态|Ψ_2N>_mix：

$|{\mathrm{\Ψ}}_{2N}{>}_{\mathrm{mix}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{N-k}}{2^N}{\left[\left(\begin{array}{c}2k\\ k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2N-2k\\ N-k\end{array}\right)\right]}^{1/2}|{2k>}_t|2N-2k{>}_r$

式中下标t表示从第一偏振分光镜5透射输出的光场，下标r表示从第一偏振分光镜5反射输出的光场，这两束光场以相反方向通过双折射光纤线圈9。当单模双折射光纤线圈9围绕它的垂直轴旋转时，由于萨纳克效应，两路光场间产生正比于光纤线圈旋转速率Ω的相移其中l为光纤的长度、R为光纤环路的半径，c为光速、λ₀为光中心波长。上述双模混合光场态|Ψ_2N>_mix在该相移作用下演化为：

$|{\mathrm{\Ψ}}_{2N}\left(\mathrm{\φ}\right){>}_{\mathrm{mix}}=\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{(-1)}^{N-k}}{2^N}{\left[\left(\begin{array}{c}2k\\ k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2N-2k\\ N-k\end{array}\right)\right]}^{1/2}{e}^{i2\mathrm{k\φ}}|{2k>}_t|2N-2k{>}_r$

经过相移作用后的上述两束光再次在第一偏振分光镜5合束并沿垂直于光场入射方向输出，入射到由第二半波片11和第二偏振分光镜12组成的50/50分束器上。从偏振分光镜12输出的两束光分别由光子数可分辨探测器13和14接收，探测器的输出设置为：当接收到N个光子时，输出一个电脉冲信号。第一光子数分辨探测器13和第二光子数分辨探测器14的输出接到符合计数装置15上，因此符合计数装置15将给出光子数可分辨探测器13和第二光子数分辨探测器14均探测到N个光子的符合计数速率。该速率正比于相移作用后的|Ψ_2N(φ)>_mix相对于未经相移作用的原始双模混合态光场|Ψ_2N>_mix的量子映射几率P(φ)，该几率如下式表示：

$P\left(\mathrm{\&phi;}\right)={|}_{\mathrm{mix}}{<{\mathrm{\&Psi;}}_{2N}\left(\mathrm{\&phi;}\right)|{\mathrm{\&Psi;}}_{2N}>}_{\mathrm{mix}}{|}^2=\left\{\underset{k=0}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\cos \left[\mathrm{\&phi;}(2k-N)\right]}{2^N}\left(\begin{array}{c}2k\\ k\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}2N-2k\\ N-k\end{array}\right)\right\}$

因此，由单模双折射光纤线圈9旋转引起的相移φ可以通过对量子映射几率的测量得到。根据误差传递原理，φ→0时，相移φ测量的灵敏度Δφ取决于当N＝1，Δφ＝1/2；当N＞＞1，相比传统光纤干涉式陀螺仪的探测灵敏度受散粒噪声的限制因此，本发明的基于量子效应的光纤陀螺仪具有更高的探测灵敏度。

Claims (5)

1.一种基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，在安装板(17)上设置有检测器、光源、耦合器、光纤环，耦合器通过光纤与探测器、光源、光纤环相连，其特征在于：所述的光源为量子光源,该量子光源包括设置在安装板(17)上的飞秒脉冲激光器(1)，飞秒脉冲激光器(1)的激光出射水平光轴方向上设置有参量下转换装置(2)，安装板(17)上设置有通过导线与参量下转换装置(2)相连的温控仪(16)，安装板(17)水平光轴脉冲泵浦光束方向上参量下转换装置(2)与第一半波片(4)之间设置有长波通滤光片(3)，该量子光源输出波长范围为1500～1600nm；所述的耦合器为：在安装板(17)水平光轴光束传播方向上设置有第一50/50分束器，经第一50/50分束器垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器(6)、第一50/50分束器的光出射方向设置有第二光纤耦合器(10)；所述的检测器为：在安装板(17)上第一50/50分束器垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置；所述的第一50/50分束器为：包括第一半波片(4)，第一半波片(4)的快轴方向与水平偏振方向夹角为22.5°，安装板(17)水平光轴光出射方向设置有第一偏振分光镜(5)，第一偏振分光镜(5)垂直光轴负向光束传播方向上设置有第一光纤耦合器(6)、光纤相位调制器(7)，第一偏振分光镜(5)的光出射方向设置有第二光纤耦合器(10)，第一偏振分光镜(5)垂直光轴正向光束传播方向上设置有量子干涉测量装置；

所述的量子干涉测量装置为：在安装板(17)上经第一偏振分光镜(5)垂直光轴正向光束传播方向上设置有第二半波片(11)，安装板(17)上第二半波片(11)的光出射方向设置有第二偏振分光镜(12)，安装板(17)上在第二偏振分光镜(12)的光出射方向设置有第二光子数分辨探测器(14)，第二偏振分光镜(12)的光反射方向设置有第一光子数分辨探测器(13)，安装板(17)上设置有符合计数器(15)，符合计数器(15)的一端通过导线与第一光子数分辨探测器(13)相连、另一端通过导线与第二光子数分辨探测器(14)相连。

2.按照权利要求1所述的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一半波片(4)的波长范围为1500～1600nm，第二半波片(11)的波长范围为1500～1600nm，第一光子数分辨探测器(13)的探测波长范围为1500nm～1600nm，第二光子数分辨探测器(14)的探测波长范围为1500nm～1600nm。

3.按照权利要求2所述的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一半波片(4)的波长为1550nm，第二半波片(11)的波长为1550nm；第一光子数分辨探测器(13)的探测波长范围为1500nm～1600nm，第二光子数分辨探测器(14)的探测波长范围为1500nm～1600nm。

4.按照权利要求2或3所述的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，其特征在于：所述的第一半波片(4)的波长范围与第二半波片(11)的波长范围相等，第一光子数分辨探测器(13)的探测波长范围与第二光子数分辨探测器(14)的探测波长范围相等。

5.按照权利要求1所述的基于量子效应的干涉型光纤陀螺仪，其特征在于：所述的飞秒脉冲激光器(1)的输出波长为745～805nm，长波通滤光片(3)的截止波长取980nm，输出的孪生光场波长范围为1500～1600nm。