CN106123886B - 一种激光陀螺环形谐振腔光路准直装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光技术，涉及一种激光陀螺环形谐振腔光路准直的装置及方法。本发明激光陀螺环形谐振腔光路准直装置包括激光器、光路调节部件、偏振器、半透半反镜、高反镜、平面镜、球面镜、调腔工装和光电接收器。其中，激光器输出光经过光束调节机构调节后入射至偏振器和半透半反镜后，一路光沿水平方向直接注入到环形谐振腔内，另一路光通过高反镜反射后沿竖直方向注入谐振腔内。所述光电接收器通过偏振器与谐振腔相连接，分别用于探测水平和竖直方向输出光，根据两路接收光路接收到的线偏振光特征，动态实时调整球面镜，直至顺逆时针的两路线偏振光的消光系数相等时，完成对环形谐振腔光路的准直，实现对环形谐振腔微小非共面的光路补偿。

Description

一种激光陀螺环形谐振腔光路准直装置及方法
技术领域
本发明属于激光技术，特别是涉及一种激光陀螺环形谐振腔光路准直的方法和装置。
背景技术
环形谐振腔是激光陀螺的核心器件，对激光陀螺的性能起到决定性的作用。环形谐振腔由于各反射面的机械加工误差、腔体的加工误差、各镜片的横向角度变形误差等会使谐振腔的环形闭合光路产生非共面误差，从而形成轻微非共面腔，这会导致环形激光陀螺产生较大的磁零偏，严重影响环形激光器的精度。
现有的光路准直方法一般是需要同时对环形激光器的两个出射光斑进行监测，根据其位置信息进行腔体光路调整，所需的技术条件高，光斑位置易受外界影响发生漂移，整个操作过程繁琐，准直的误差较大。该光路准直方法和装置已经难以保证高精度激光陀螺环形激光谐振腔的准直效果，同时不利于高精度激光陀螺的性能和生产效率的提升。
发明内容
为了解决现有技术对激光陀螺环形谐振腔光路准直效果欠佳和效率低下等问题，本发明提供了一种激光陀螺环形谐振腔光路准直装置。
另外，基于本发明提供的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，本发明还提供了一种操作简单、效率高、准直效果较好的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其包括第一平面镜和第二平面镜、第一球面镜和第二球面镜、第一调腔工装和第一调腔工装、腔体、两路输入光路和两路接收光路。其中，第一平面镜和第二平面镜分别设置在腔体的输入端和输出端，第一调腔工装和第二调腔工装设置在腔体的两个调整端，第一球面镜和第二球面镜分别设置在第一调腔工装和第二调腔工装上，两路输入光路为特征一致的s态线偏振光并相互垂直输入到第一平面镜上，两路接收光路分别接收第二平面镜输出的两路相互垂直的输出光。
所述两路输入光路一路为由激光器、光束调节机构、第一偏振器、半透半反镜顺次设置组成的水平光路，另一路为由激光器、光束调节机构、第一偏振器、半透半反镜、第一高反镜和第二高反镜顺次设置组成的竖直光路。
所述两路接收光路一路由第二偏振器和第一光电接收器组成顺次设置组成的水平光路，另一路由第三偏振器和第二光电接收器组成顺次设置组成的竖直光路。其中，第二偏振器和第三偏振器用于将第二平面镜输出的光转化为线偏振光。
所述光束调节机构由共光轴且顺次设置的二维倾角调节反射镜A、二维倾角调节反射镜B、具有绕水平轴转动功能的平面透镜A和具有绕竖直轴转动的平面透镜B组成。
所述半透半反镜为平面镜，其透过率和反射率均为50％。所述的高反镜和为平面镜，其反射率大于99.99％。
所述的平面镜通过光胶与腔体连接，所述的第一球面镜和第二球面镜通过调腔工装与腔体进行半光胶连接，用于动态调整球面镜位姿。
一种激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其两路特征一致的S态线偏振光相互垂直输入到腔体后，分别通过激光陀螺环形谐振腔顺逆时针方向输出后由两路接收光路接收，根据两路接收光路接收到的线偏振光特征，动态实时调整第一球面镜和第二球面镜，直至顺逆时针的两路线偏振光的消光系数相等时，完成对环形谐振腔光路的准直，从而实现对环形谐振腔微小非共面的光路补偿。
一种激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其包括如下步骤：
步骤1：引燃扫频激光器，调节光束调节机构，使得入射激光束的传播方向与第一偏振器和半透半反镜同轴，经过半透半反镜后的两部分光束，一部分沿水平方向通过第一平面镜注入至腔体内，另一部分沿竖直方向通过第一平面镜注入到腔体内；
步骤2：注入环形谐振腔内两个方向的光信号P0经过第二平面镜输出分别沿水平方向经第二偏振器和沿竖直方向经第三偏振器后被光电接收器接收，并将接收到的信号转换后采集至处理计算机，其中水平方向的输出光信号为P1，竖直方向输出光信号为P2；
步骤3：计算出水平和竖直方向的消光系数f1和f2，其大小由以下关系式确定：
f1＝P1/P0 (1)
f2＝P2/P0 (2)
式中P0为入射光的强度，P1和P2分别为输出光在水平和竖直方向的强度；
步骤4：根据消光系数f1和f2的大小，利用两个调腔工装动态调节第一球面镜和第二球面镜，使得f1＝f2，此时对第一球面镜和第二球面镜施加法线方向的力使第一球面镜和第二球面镜与腔体光胶固化，从而实现对激光陀螺环形谐振腔光路的准直。
所述的输出光经过偏振器偏振后为s态的线偏光或为p态线偏光。
所述的光电接收器分别与偏振器连接水平或者竖直连接，保证接收的信号为最大,其信噪比优于1％，接收信号不能超过其饱和强度。
有别于现有技术通过对环形激光器的两个出射光斑位置进行监测，并依靠观察两个光斑的重合度来完成光路准直的方法，本发明通过直接测量环形激光器顺时针和逆时针方向的输出光消光系数来实现光路的准直，大幅地消除了观测误差，并且系统结构简单、测量方便，准直精度高达0.5"以上，能够较好的满足高精度激光陀螺对光路的准直要求。另外借助于本发明激光陀螺环形谐振腔光路准直能够更好的指导谐振腔的装调，对于提升激光陀螺性能和产品合格率具有较大参考价值。
附图说明
图1是本发明激光陀螺谐振腔光路准直装置一较佳方式实施示意图；
图2是本发明激光陀螺谐振腔光路准直装置中光束调节机构的示意图；
图3是本发明光电接收器接收信号随非共面角角变化关系的示意图；
其中，1-激光器 2-光路调节部件 3-第一偏振器 4-半透半反镜 5-第一高反镜6-第二高反镜 7-第一平面镜 8-第二平面镜 9-第一球面镜 10-第二球面镜 11-第一调腔工装 12-第二调腔工装 13-腔体 14-第二偏振器 15-第三偏振器 16-第一光电接收器17-第二光电接收器 21-二维倾角调节的反射镜A 22-二维倾角调节的反射镜B 23-具有绕水平轴转动功能的平面透镜A 24-具有绕竖直轴转动的平面透镜B。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明：
请参阅图1，其是本发明激光陀螺谐振腔光路准直装置一较佳方式实施示意图。本实施方式中，所述激光陀螺谐振腔光路准直装置包括第一平面镜7和第二平面镜8、第一球面镜9和第二球面镜10、第一调腔工装11和第二调腔工装12、腔体13、两路输入光路和两路接收光路，其中，第一平面镜7和第二平面镜8分别设置在腔体的输入端和输出端，第一调腔工装11和第二调腔工装12设置在腔体13的两个调整端，第一球面镜9和第二球面镜10分别设置在第一调腔工装11和第二调腔工装12上，两路输入光路为特征一致的S态线偏振光并相互垂直输入到第一平面镜7上，两路接收光路分别接收第二平面镜8输出的两路相互垂直的输出光。
本实施方式中，所述两路输入光路一路为由激光器1、光束调节机构2、第一偏振器3、半透半反镜4顺次设置组成的水平光路，另一路为由激光器1、光束调节机构2、第一偏振器3、半透半反镜4、第一高反镜5和第二高反镜6顺次设置组成的竖直光路。
所述两路接收光路一路由第二偏振器14和第一光电接收器17顺次设置组成的水平光路，另一路由第三偏振器15和第二光电接收器16顺次设置组成的竖直光路。
所述的激光器1为线偏振的He-Ne激光器，波长632.8nm，工作在单纵模和基横模状态。利用安装在一个反射镜上的压电陶瓷可改变腔长，实现谐振频率的连续变化。
所述第一偏振器3用于调整光束的偏振态，通过旋转偏振器偏振波片可以连续调节经过光束调整机构调节后的出射光束偏振面的方向，使其为s态的线偏振光；
所述半透半反镜4为平面镜，其透过率和反射率都为50％。所述的第一高反镜5和第二高反镜6均为平面镜，其反射率大于99.99％。
所述的第一平面镜7和第二平面镜8通过光胶与腔体13连接，所述的第一球面镜9和第二球面镜10通过第一调腔工装11和第一调腔工装12分别与腔体13进行半光胶连接(即第一球面镜9和第二球面镜10与腔体13之间相互接触，且接触面可相对移动，未固化)，用于动态调整球面镜位姿。
本实施方式中，所述的第二偏振器14和第三偏振器15用于调整经过谐振腔后的输出光束的偏振态，通过旋转偏振器偏振波片可以连续调节经过光束调整机构调节后的出射光束偏振面的方向，使其为s态或者p态的线偏振光，并通过光电接收器16和17接收。
所述的第一光电接收器16和第二光电接收器17分别与第二偏振器14和第三偏振器15水平或者竖直连接，保证接收的信号为最大,其信噪比优于1％，接收信号不超过其饱和强度，主要用于顺逆时针光束消光系数的探测，并为光路准直提供依据。
请参阅图2，其是本发明激光陀螺谐振腔光路准直装置中光束调节机构的示意图，所述光束调节机构2由共光轴且顺次设置的二维倾角调节反射镜A21、二维倾角调节反射镜B22、具有绕水平轴转动功能的平面透镜A23和具有绕竖直轴转动的平面透镜B24组成。其中，所述反射镜A21和反射镜B22可以调节出射光束的倾角，平面透镜A23和平面透镜B24分别可以精细调节出射光束在竖直方向和水平方向上的位置，从而实现对光束空间位置的细调，使得光束沿水平光轴入射。
请参阅图3，其是本发明光电接收器接收信号随非共面角角度变化关系的示意图，当顺逆时针光束消光系数不等时，通过调腔工装11和12的调节螺钉对球面镜9和10的位姿进行动态调整，直到当顺逆时针光束消光系数相等，将球面镜沿法线方向按压使其与腔体13光胶上，完成光路的准直。
本发明基于激光陀螺环形谐振腔光路准直装置的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其特征在于两路特征一致的S态线偏振光相互垂直输入到腔体13后，分别通过激光陀螺环形谐振腔顺逆时针方向输出后由两路接收光路接收，根据两路接收光路接收到的线偏振光特征，动态实时调整球面镜，直至顺逆时针的两路线偏振光的消光系数相等时，完成对环形谐振腔光路的准直，从而实现对环形谐振腔微小非共面的光路补偿。
所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：引燃扫频激光器，调节光束调节机构，使得入射激光束的传播方向与第一偏振器和半透半反镜同轴，经过半透半反镜后的两部分光束，一部分沿水平方向通过第一平面镜注入至腔体内，另一部分沿竖直方向通过第一平面镜注入到腔体内；
步骤2：注入环形谐振腔内两个方向的光信号P0经过第二平面镜输出分别沿水平方向经第二偏振器和沿竖直方向经第三偏振器后被光电接收器接收，并将接收到的信号转换后采集至处理计算机，其中水平方向的输出光信号为P1，竖直方向输出光信号为P2；
步骤3：计算出水平和竖直方向的消光系数f1和f2，其大小由以下关系式确定：
f1＝P1/P0 (1)
f2＝P2/P0 (2)
式中P0为入射光的强度，P1和P2分别为输出光在水平和竖直方向的强度；
步骤4：根据消光系数f1和f2的大小，利用两个调腔工装动态调节第一球面镜和第二球面镜，使得f1＝f2，此时对第一球面镜和第二球面镜施加法线方向的力使第一球面镜和第二球面镜与腔体光胶固化，从而实现对激光陀螺环形谐振腔光路的准直。
所述的输出光经过偏振器偏振后为s态的线偏光或为p态线偏光。
综上所述，有别于现有技术通过对环形激光器的两个出射光斑位置进行监测，并依靠观察两个光斑的重合度来完成光路准直的方法，本发明激光陀螺环形谐振腔光路准直装置及方法通过直接测量环形激光器顺时针和逆时针方向的输出光消光系数来实现光路的准直，大幅地消除了观测误差，并且系统结构简单、测量方便，准直精度高达0.5"以上，能够较好的满足高精度激光陀螺对光路的准直要求。另外借助于本发明激光陀螺环形谐振腔光路准直能够更好的指导谐振腔的装调，对于提升激光陀螺性能和产品合格率具有较大参考价值。

Claims (10)

1.一种激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：包括第一平面镜(7)和第二平面镜(8)、第一球面镜(9)和第二球面镜(10)、第一调腔工装(11)和第二调腔工装(12)、腔体(13)、两路输入光路和两路接收光路，其中，第一平面镜(7)和第二平面镜(8)分别设置在腔体的输入端和输出端，第一调腔工装(11)和第二调腔工装(12)设置在腔体(13)的两个调整端，第一球面镜(9)和第二球面镜(10)分别设置在第一调腔工装(11)和第一调腔工装(12)上，两路输入光路为特征一致的S态线偏振光并相互垂直输入到第一平面镜(7)上，两路接收光路分别接收第二平面镜(8)输出的两路相互垂直的输出光。
2.根据权利要求1所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述两路接收光路均由偏振器和光电接收器组成，其中，偏振器用于将第二平面镜(8)输出的光转化为线偏振光，所述偏振器包括第二偏振器(14)和第三偏振器(15)。
3.根据权利要求1所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述两路输入光路一路为由激光器(1)、光束调节机构(2)、第一偏振器(3)、半透半反镜(4)顺次设置组成的水平光路，另一路为由激光器(1)、光束调节机构(2)、第一偏振器(3)、半透半反镜(4)、第一高反镜(5)和第二高反镜(6)顺次设置组成的竖直光路。
4.根据权利要求3所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述光束调节机构(2)由共光轴且顺次设置的二维倾角调节反射镜A、二维倾角调节反射镜B、具有绕水平轴转动功能的平面透镜A和具有绕竖直轴转动的平面透镜B组成。
5.根据权利要求3所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述半透半反镜(4)为平面镜，其透过率和反射率都为50％。
6.根据权利要求3所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述的第一高反镜(5)和第二高反镜(6)为平面镜，其反射率大于99.99％。
7.根据权利要求1所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直装置，其特征在于：所述的第一平面镜(7)和第二平面镜(8)通过光胶与腔体(13)连接，所述的第一球面镜(9)和第二球面镜(10)通过第一调腔工装(11)和第二调腔工装(12)与腔体进行半光胶连接，用于动态调整球面镜位姿。
8.一种基于权利要求1至7任一项激光陀螺环形谐振腔光路准直装置的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其特征在于，两路特征一致的S态线偏振光相互垂直输入到腔体后，分别通过激光陀螺环形谐振腔顺逆时针方向输出后由两路接收光路接收，根据两路接收光路接收到的线偏振光特征，动态实时调整第一球面镜和第二球面镜，直至顺逆时针的两路线偏振光的消光系数相等时，完成对环形谐振腔光路的准直，从而实现对环形谐振腔微小非共面的光路补偿。
9.根据权利要求8所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：引燃扫频激光器，调节光束调节机构，使得入射激光束的传播方向与第一偏振器和半透半反镜同轴，经过半透半反镜后的两部分光束，一部分沿水平方向通过第一平面镜注入至腔体内，另一部分沿竖直方向通过第一平面镜注入到腔体内；
步骤2：注入环形谐振腔内两个方向的光信号P0经过第二平面镜输出分别沿水平方向经第二偏振器和沿竖直方向经第三偏振器后被光电接收器接收，并将接收到的信号转换后采集至处理计算机，其中水平方向的输出光信号为P1，竖直方向输出光信号为P2；
步骤3：计算出水平和竖直方向的消光系数f1和f2，其大小由以下关系式确定：
f1＝P1/P0 (1)
f2＝P2/P0 (2)
式中P0为入射光的强度，P1和P2分别为输出光在水平和竖直方向的强度；
步骤4：根据消光系数f1和f2的大小，利用两个调腔工装动态调节第一球面镜和第二球面镜，使得f1＝f2，此时对第一球面镜和第二球面镜施加法线方向的力使第一球面镜和第二球面镜与腔体光胶固化，从而实现对激光陀螺环形谐振腔光路的准直。
10.根据权利要求9所述的激光陀螺环形谐振腔光路准直方法，其特征在于：所述的输出光经过第二偏振器或第三偏振器偏振后为s态的线偏光或为p态线偏光。
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