CN103674487B - 一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光陀螺技术，涉及一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法。本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置包括激光器、法拉第光隔离器、分束镜A、光电探测器A、环形谐振腔、微操纵器A、分束镜B、光电探测器B、滤光片、反馈镜、微操纵器B、锁相放大器、稳频系统。本发明通过将泵浦光束的一部分能量反馈回环形谐振腔并与腔内背向散射光波干涉，提高了环形谐振腔背向散射信号的信噪比；通过使待测反射镜沿镜面切线方向轻微移动，实现了对激光陀螺使用的超光滑反射镜背向散射振幅系数的准确测量。并可以筛选出具有较小背向散射的超光滑反射镜用于激光陀螺谐振腔装调，对于减小激光陀螺锁区和提高激光陀螺精度有重要意义。

Description

一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法

技术领域

本发明属于激光陀螺技术，涉及一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法。

背景技术

激光陀螺作为高精度惯性导航系统的首选角度传感器，已广泛应用于飞机、舰船、潜艇、导弹和军用车辆。激光陀螺反射镜表面的背向散射会导致闭锁效应，增大随机游走，降低激光陀螺的精度。为了减小背向散射及由其引起的闭锁阈值，提高陀螺精度，制造商普遍采用具有超光滑表面的反射镜制造激光陀螺，其表面粗糙度通常小于1nm。

在评价用于激光陀螺的超光滑反射镜质量时，一般采用总积分散射法，即通过测量样品表面的总积分散射，来判断样品的表面粗糙度和背向散射。激光陀螺制造商期望通过严格控制反射镜的总积分散射，进而控制激光陀螺的闭锁阈值，提高陀螺的生产合格率。随着制造工艺的不断完善，超光滑反射镜的总积分散射已经小于10ppm，但受工业基础和制造成本限制，总积分散射很难进一步减小。事实上，采用总积分散射相同的反射镜装配出的激光陀螺，其闭锁阈值并不一致。这是由于激光散斑现象的存在，即不同方向散射光强度的分布具有不规则性，具有特定的散斑图案，使得激光陀螺内部超光滑反射镜背向散射的大小与总积分散射并不成正比。

对于直接测量超光滑反射镜的背向散射，角分辨散射测量法由于难以探测背向散射方向的微弱光强，未见成功应用的报道。一些报道介绍了由超光滑反射镜构成的环形谐振腔背向散射的测量方法，这种方法实际上测量的是多个反射镜背向散射光波的干涉强度。由于干涉强度不仅与每个反射镜的背向散射强度有关，还与其相位角相关，而环形谐振腔的热膨胀会改变相位角，所以通过测量并控制环形谐振腔的背向散射来减小激光陀螺的闭锁阈值并不十分有效。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了准确测量激光陀螺超光滑反射镜的背向散射，使得激光陀螺制造商能够选择具有较小背向散射的反射镜来制造具有较小闭锁阈值的激光陀螺，本发明提供了测量激光陀螺超光滑反射镜背向散射的方法

另外，本发明还提供一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置。

本发明的技术方案：一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，其包括激光器、法拉第光隔离器、分束镜A、光电探测器A、环形谐振腔、微操纵器A、分束镜B、光电探测器B、滤光片、反馈镜、微操纵器B、锁相放大器、稳频系统。其中，激光器的输出光束依次入射到法拉第光隔离器、分束镜A、环形谐振腔、分束镜B；分束镜B的出射光分为两束，一束入射到光电探测器B，另一束依次入射到滤光片和反馈镜；被反馈镜反射的光束依次入射到滤光片、分束镜B、环形谐振腔；环形谐振腔的一束出射光依次入射到分束镜A、光电探测器A；稳频系统与激光器和光电探测器B连接，使得激光器的频率稳定在环形谐振腔的本征频率上；锁相放大器与光电探测器A和稳频系统连接。

所述环形谐振腔由框架、三个固定反射镜和一个待测反射镜组成。

所述待测反射镜被微操纵器A夹持，待测反射镜在微操纵器A控制下可沿镜面切线方向移动。

所述反馈镜被被微操纵器B夹持，反馈镜在微操纵器B控制下可沿镜面法线方向移动。

一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量方法，其步骤如下：

步骤1：将待测反射镜和三个固定反射镜以及框架组成正方形环形谐振腔，搭建并调节光路，使得激光器的频率稳定在环形谐振腔的本征频率上；

步骤2：使待测反射镜在微操纵器控制下在环形谐振腔光路平面内沿镜面切线方向移动d，其中，该d大小在0.03个激光波长；

步骤3：使反馈镜在微操纵器控制下沿镜面法线方向移动至少0.5个激光波长，记录此过程中锁相放大器输出的最大值I_Bmax和最小值I_Bmin，根据表达式(1)、(2)、(3)计算得到环形谐振腔的背向散射振幅系数r：

I_Bmax＝k(R²+r²+2Rr)(1)

I_Bmin＝k(R²+r²-2Rr)(2)

$R=\frac{T_2}{2f}---\left(3\right)$

其中，k为与锁相放大器及光电探测器A有关的比例系数，T₂是接受反馈光束的环形谐振腔反射镜的透射率，f是滤光片的衰减倍数；

步骤4：重复步骤2和步骤3，直到待测反射镜累计移动距离使得环形谐振腔的背向散射振幅系数波动完成一个周期，将该周期内环形谐振腔背向散射振幅系数的极差除以2即为待测反射镜的背向散射振幅系数。

待测反射镜累计移动距离至少达到0.7个激光波长。

本发明的有益效果：本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法实现了对激光陀螺使用的超光滑反射镜背向散射的准确测量，其测量精度高，操作方便。借助本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，可以筛选出具有较小背向散射的超光滑反射镜用于激光陀螺谐振腔装调，这对于减小激光陀螺锁区和提高激光陀螺精度有重要意义。

附图说明

图1是本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置一较佳实施方式的示意图；

图2是由待测反射镜和三个固定反射镜以及框架组成的正方形环形谐振腔结构示意图；

图3是待测反射镜在环形谐振腔光路平面内沿镜面切线方向轻微移动的示意图；

图4是待测反射镜沿镜面切线方向轻微移动时，其对应背向散射矢量发生旋转的示意图；

图5是反馈镜沿镜面法线方向的位移随时间变化的示意图；

图6是待测反射镜沿镜面切线方向的位移随时间变化的示意图；

图7是本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置中，锁相放大器的输出随反馈镜位移的变化；

图8是利用本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，测量得到的环形谐振腔背向散射振幅系数随待测反射镜位移的变化，

其中，1-He-Ne激光器，2-法拉第光隔离器，3-分束镜A，4-光电探测器A，5-环形谐振腔，6-微操纵器A，7-分束镜B，8-光电探测器B，9-滤光片，10-反馈镜，11-微操纵器B，12-锁相放大器，13-稳频系统，50-框架，51-与待测反射镜相邻的固定反射镜，52-与待测反射镜相对的固定反射镜，54-待测反射镜。

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，其是本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置一较佳实施方式的原理示意图。本实施方式中，所述激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置包括He-Ne激光器1、法拉第光隔离器2、分束镜A3、光电探测器A4、环形谐振腔5、微操纵器A6、分束镜B7、光电探测器B8、滤光片9、反馈镜10、微操纵器B11、锁相放大器12、稳频系统13。其中，He-Ne激光器1的输出光束依次入射到法拉第光隔离器2、分束镜A3、环形谐振腔5、分束镜B7；分束镜B7的出射光分为两束，一束入射到光电探测器B8，另一束依次入射到滤光片9和反馈镜10；被反馈镜10反射的光束依次入射到滤光片9、分束镜B7、环形谐振腔5；环形谐振腔5的一束出射光依次入射到分束镜A3、光电探测器A4。

本实施方式中，所述He-Ne激光器1为线偏振He-Ne激光器，波长632.8nm，工作在基横模状态。He-Ne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。

所述稳频系统13与He-Ne激光器1和光电探测器B8连接，使得He-Ne激光器1的频率稳定在环形谐振腔5的本征频率上，这样在环形谐振腔5内部产生与He-Ne激光器1输出光束方向一致的泵浦光束。

请参阅图2，其是正方形环形谐振腔5的结构示意图。所述环形谐振腔5由框架50、三个固定反射镜和一个待测反射镜54组成，其谐振光路为正方形。框架50采用Zerodurceramic材料制成。所述三个反射镜包括两个与待测反射镜54相邻的固定反射镜51，一个与待测反射镜54相对的固定反射镜52，上述三个固定反射镜与框架50光胶成一个整体。由于各反射镜的表面存在微观的不平整，所以泵浦光束在各个反射镜表面产生背向散射光波。背向散射光波相互叠加，形成与泵浦光束传播方向相反的背向散射光束。泵浦光束的一部分能量由与待测反射镜相对的固定反射镜52透射出环形谐振腔5，该固定反射镜的透射率为T₂。背向散射光束的一部分能量由与待测反射镜相邻的两个固定反射镜51透出环形谐振腔5。

泵浦光束自反射镜52透射出环形谐振腔5的能量，经过分束镜B7和滤光片9衰减后，垂直入射到反馈镜10并被反馈镜10反射。滤光片的衰减倍数为f。反射光束再次被滤光片9和分束镜B7衰减后自反射镜52反馈回环形谐振腔5。在腔内，反馈光束与背向散射光束发生干涉。反馈镜10被微操纵器B11夹持，反馈镜10在微操纵器B11控制下可沿镜面法线方向移动，从而改变反馈光束的相位。请参阅图5，其是反馈镜10沿镜面法线方向的位移随时间变化的示意图。由于反馈光束强度大于背向散射光束强度，所以干涉效应提高了环形谐振腔5的背向散射信号信噪比。

锁相放大器12与光电探测器A4和稳频系统13连接，锁相放大器12的输出I_B对应于环形谐振腔5内反馈光束与背向散射光束干涉的强度。请参阅图7，其是锁相放大器12的输出I_B随反馈镜10位移的变化。根据表达式

I_Bmax＝k(R²+r²+2Rr)(1)

I_Bmin＝k(R²+r²-2Rr)(2)

$R=\frac{T_2}{2f}---\left(3\right)$

可以计算得到环形谐振腔5的背向散射振幅系数r。其中，k为与锁相放大器12及光电探测器A4有关的比例系数。

所述待测反射镜54被微操纵器A6夹持，待测反射镜54在微操纵器A6控制下可沿镜面切线方向轻微移动，移动步长约0.03λ。请参阅图3，其是待测反射镜54在环形谐振腔5光路平面内沿镜面切线方向轻微移动的示意图。

在待测反射镜54移动过程中，环形谐振腔5的腔长和光轴保持不变。由于待测反射镜54平移的距离远小于环形谐振腔5本征模式的光束直径，所以在待测反射镜54表面产生的背向散射光波的振幅不变。然而待测反射镜54表面的散射体在环形谐振腔5光轴上的位置发生了改变，所以在待测反射镜54表面产生的背向散射光波的相位发生改变。由于相应散射体的位置固定，所以在三个固定反射镜表面产生的背向散射光波的振幅和相位均保持不变。请参阅图4，其是待测反射镜54沿镜面切线方向轻微移动时，其表面产生的背向散射光波所对应的背向散射矢量发生旋转的示意图。请参阅图6，其是待测反射镜54沿镜面切线方向的位移随时间变化的示意图。

请参阅图8，其是利用本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，测量得到的环形谐振腔5背向散射振幅系数r随待测反射镜位移的变化。根据环形谐振腔5背向散射振幅系数的最大值r_max和最小值r_min，可以很方便的计算出待测反射镜的背向散射振幅系数r_反射镜：

该测量装置背向散射振幅系数测量精度达到0.01ppm，测量一片反射镜的时间约为2分钟。

本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置基于激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量方法，该方法的详细步骤如下：

步骤1：将待测反射镜和三个固定反射镜以及框架组成正方形环形谐振腔，搭建并调节光路，使得He-Ne激光器的频率稳定在环形谐振腔的本征频率上；

步骤2：使待测反射镜在微操纵器控制下在环形谐振腔光路平面内沿镜面切线方向移动0.03个激光波长；

步骤3：使反馈镜在微操纵器控制下沿镜面法线方向移动0.5个激光波长，记录此过程中锁相放大器输出的最大值I_Bmax和最小值I_Bmin，根据表达式(1)、(2)、(3)计算得到环形谐振腔的背向散射振幅系数r；

步骤4：重复步骤2和步骤3，直到待测反射镜累计移动距离达到0.75个激光波长，得到一组环形谐振腔的背向散射振幅系数，将这组数据的极差除以2即为待测反射镜的背向散射振幅系数r_反射镜。

综上所述，本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置及方法通过将泵浦光束的一部分能量反馈回环形谐振腔并与腔内背向散射光波干涉，提高了环形谐振腔背向散射信号的信噪比；通过使待测反射镜沿镜面切线方向轻微移动，并探测此过程中环形谐振腔背向散射振幅系数的变化，实现了对激光陀螺使用的超光滑反射镜背向散射的准确测量，其测量精度高，操作方便。借助本发明激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，可以筛选出具有较小背向散射的超光滑反射镜用于激光陀螺谐振腔装调，这对于减小激光陀螺锁区和提高激光陀螺精度有重要意义。

Claims (6)

1.一种激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，其特征在于：包括激光器、法拉第光隔离器、分束镜A、光电探测器A、环形谐振腔、微操纵器A、分束镜B、光电探测器B、滤光片、反馈镜、微操纵器B、锁相放大器、稳频系统，其中，激光器的输出光束依次入射到法拉第光隔离器、分束镜A、环形谐振腔、分束镜B；分束镜B的出射光分为两束，一束入射到光电探测器B，另一束依次入射到滤光片和反馈镜；被反馈镜反射的光束依次入射到滤光片、分束镜B、环形谐振腔；环形谐振腔的一束出射光依次入射到分束镜A、光电探测器A；稳频系统与激光器和光电探测器B连接，使得激光器的频率稳定在环形谐振腔的本征频率上；锁相放大器与光电探测器A和稳频系统连接。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，其特征在于：所述环形谐振腔由框架、三个固定反射镜和一个待测反射镜组成。

3.根据权利要求2所述的激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，其特征在于：所述待测反射镜被微操纵器A夹持，待测反射镜在微操纵器A控制下可沿镜面切线方向移动。

4.根据权利要求1所述的激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置，其特征在于：所述反馈镜被微操纵器B夹持，反馈镜在微操纵器B控制下可沿镜面法线方向移动。

5.一种基于权利要求1所述的激光陀螺超光滑反射镜背向散射测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待测反射镜和三个固定反射镜以及框架组成环形谐振腔，搭建并调节光路，使得激光器的频率稳定在环形谐振腔的本征频率上；

步骤2：使待测反射镜在微操纵器控制下在环形谐振腔光路平面内沿镜面切线方向移动d，其中，该d大小在0.03个激光波长；

步骤3：使反馈镜在微操纵器控制下沿镜面法线方向移动至少0.5个激光波长，记录此过程中锁相放大器输出的最大值I_Bmax和最小值I_Bmin，根据表达式(1)、(2)、(3)计算得到环形谐振腔的背向散射振幅系数r：

I_Bmax＝k(R²+r²+2Rr)(1)

I_Bmin＝k(R²+r²-2Rr)(2)

$R=\frac{T_2}{2f}---\left(3\right)$

其中，k为与锁相放大器及光电探测器A有关的比例系数，T₂是接受反馈光束的环形谐振腔反射镜的透射率，f是滤光片的衰减倍数；

步骤4：重复步骤2和步骤3，直到待测反射镜累计移动距离使得环形谐振腔的背向散射振幅系数波动完成一个周期，将该周期内环形谐振腔背向散射振幅系数的极差除以2即为待测反射镜的背向散射振幅系数。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：待测反射镜累计移动距离至少达到0.7个激光波长。