CN106342174B - 激光陀螺谐振腔损耗测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先提供了一种能实时准确测量激光陀螺光学谐振腔损耗的装置和方法，基础设备的主要组成部分按光的传播方向依次安装有激光光源组件的激光器、声光调制器、光路调整组件等，光路经安装于光路调整组件中的半透半反镜后，通过光电探测组件和CCD组件分别完成激光陀螺谐振腔损耗测量和谐振腔内光阑及光斑的实时成像。本发明还解决了单一方法测量未知激光陀螺谐振腔损耗精度低的问题，当激光陀螺谐振腔损耗较高时选择谐振途径测量，损耗低时经切换开关选择时间衰减途径测量，两种途径由同一装置完成，还可实时成像谐振腔中光阑和激光光斑相对位置的测量。测量精度高，测量成本低。测量装置的信噪比高，装置调试方便，结构紧凑，体积小。

Description

激光陀螺谐振腔损耗测量装置和方法

技术领域

本发明属于激光陀螺测试技术领域，主要涉及激光陀螺谐振腔的损耗测量、谐振腔内光阑和激光光斑实时成像及针对不同的激光陀螺谐振腔损耗的大小采用不同的途径进行测量，具体讲就是一种激光陀螺谐振腔损耗测量装置和方法。

背景技术

激光陀螺是一种基于Sagnac效应的光学陀螺。激光陀螺的基本原理是：当激光随载体转动时，激光器输出的两束光在环形光路内反向运行时产生光程差，使两束激光的谐振频率不同，其输出端的频率差随角度成正比例变化，因此测量频率差即可得出转速。由于激光陀螺的优点是：精度高、动态范围大、响应时间短、可靠性高、耐冲击和振动、也不受温度影响、无机械活动部件、尺寸小、重量轻、工作寿命和存放期长、能直接与计算机系统相连、便于实现自动化和智能化控制，因而是捷联式惯性导航系统的理想元件。激光陀螺仪也是迄今为止在惯性领域唯一真正获得了卓有成效的实际应用的非机电式中高精度惯性敏感仪表因而也在军事和国防领域尤其是航空航天技术领域有着广泛的应用。

激光陀螺仪的基本元件是环形激光器，环形激光器是由三角形或正方形的石英制成的闭合光路组成，内有一个或几个装有混合气体(氦氖气体)的管子，一组不透明的反射镜和一组半透明镜，用半透明镜将激光导出回路，经反射镜使两束相反传输的激光干涉，通过测量干涉条纹来计算转动角。

光学谐振腔是激光陀螺的核心器件，谐振腔的损耗主要包括谐振腔衍射损耗及反射镜膜片损耗。膜片损耗包括膜片散射损耗、膜片吸收损耗和膜片透射损耗等。光学谐振腔是带有分布参数的振荡系统，谐振腔电磁场振荡有其固有模式，电磁场的空间分布和固有频率由谐振腔的几何形状确定。谐振腔综合损耗的大小及谐振腔中光阑和激光的相对尺寸和位置对谐振腔的品质有着极大的影响，直接关系到陀螺的性能和精度。目前，制约陀螺性能进一步提高的主要因素之一是缺乏有效的测量谐振腔损耗的仪器和设备。

在激光陀螺的研制过程中，实时准确测量陀螺光学谐振腔损耗的大小，是评价激光陀螺性能和质量的一个重要手段，对提高陀螺精度和制造质量具有重要的指导意义。激光陀螺质量的提高有赖于各个组成部分质量的提高和测量评价系统的建立，如环形谐振腔中反射镜散射的测量，谐振腔腔长的测量和控制，以及整个谐振腔损耗的测量等。

八十年代中期，我国研制激光陀螺的极少数科研单位曾从前苏联购买了极少量的激光陀螺损耗测量装置，当时的设备光电探测都是由分立元件构成、集成度低、装置的实时性差，其使用电光调制器作光开关，需要高达600伏的直流电源供电，功耗大、电磁干扰也较大，对测量环境的要求较高，随着时间的推移，这些装置慢慢损坏，由于没有可替换的元器件，这些设备已基本不能再使用。或者说随着技术进步，前苏联出的测量装置早已不能适应现代激光陀螺的研究与生产的实际需要。

在我国国防科研领域急需能对激光陀螺谐振腔损耗进行准确、实时的测量装置，可是无论在国防研究的科研院所还是企业目前尚无能够投入实际应用以及配套的激光陀螺谐振腔损耗测量设备。

由于激光陀螺的军事保密性要求，各国对此领域的研究均采取了严加保密的控制，从查阅目前的国内外文献看，有关这方面的测量评价系统的报道十分罕见，国内外有关激光陀螺制造的报道较多，但均未见对激光陀螺谐振腔损耗测量的专利报道。

本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文进行检索，尚未发现与本发明密切相关的文献，也未发现与本发明一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术领域尚无激光陀螺谐振腔的光学损耗测量设备和实用技术的现状以及克服上述背景技术中存在的缺点，提供一种能够综合测量评价激光陀螺谐振腔的光学损耗，同时可以实时测量谐振腔内光阑和激光光斑的相对位置的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，以及激光陀螺谐振腔损耗及激光模式的测量方法，该方法可以根据损耗的大小采用两种途径来测量激光陀螺谐振腔损耗的大小，即当激光陀螺的损耗较大时用谐振途径测量，当损耗较小时用时间衰减途径测量。在测量激光陀螺谐振腔损耗的大小的同时还可以实时测量谐振腔内光阑和激光光斑的相对位置。从而为激光陀螺的研制和生产提供一综合的谐振腔质量评价装置和方法。该装置的测量精度高，不仅可对谐振腔损耗大的激光陀螺进行测量，还可对损耗的小的激光陀螺谐振腔进行测量。装置中所有的光学元件都可以进行灵活调节，同时也方便调试电路，测量的信噪比高，测量精度高，可以实现实时检测，结构紧凑，操作方便，体积小。

下面对本发明进行详细说明

本发明的实现是提供一种激光陀螺谐振腔损耗及激光模式测量装置，包括有激光器，光学平台，光开关组件，计算设备，其特征在于：基础设备主要包括有激光光源组件、可进行测量途径切换的光开关组件、光路调整组件、光电探测组件、CCD组件、计算机和置于光学平台之上的光学平板，激光光源组件中的激光器、可进行测量途径切换的光开关组件的声光调制器17、光路调整组件、光电探测组件和CCD组件均置于光学平板上，按光的传播方向依次安装有激光光源组件的激光器、声光调制器、光路调整组件，经安装于光路调整组件中的半透半反镜后，其中有一路光经半透半反镜反射后入射到CCD组件的CCD摄像头，CCD组件的电路输出接入计算机的相应数据端，另一路光经半透半反镜透射后入射到光电探测组件的光电探测器上，光电探测组件的电信号输出又分为两路，其中一路信号反馈接在可进行测量途径切换的光开关组件的快速触发驱动电路的输入端，另一路信号接至计算机的数据采集卡上，计算机中安装的锯齿波发生器卡的控制信号驱动激光光源组件中激光器内的粘有反射镜的压电陶瓷管；

基础设备中光电探测组件主要由光电探测前级放大器、放大倍数可调的二级放大器以及数据采集卡组成，光电探测前级放大器安放于一内外均涂黑的电磁光屏蔽盒内，其中的光电探测器前加装遮光筒与屏蔽盒连为一体，谐振腔的透射光经遮光筒照射在光电探测器上，二级放大器的输出信号接光开关组件的快速触发驱动电路，二级放大器的输出信号同时通过数据采集卡接在计算机，计算机通过串口可自动调节二级放大器的放大倍数。

针对军工科研前沿领域的急需，本发明采用光、机、电、计算机有机结合组成专用的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，自行设计了基础设备的各个组件，尤其是激光光源组件、光电探测组件。半透半反镜的运用将光路一分为二通过光电探测组件和CCD组件分别完成激光陀螺谐振腔损耗测量和谐振腔内光阑及光斑的实时成像。激光光源组件与计算机和整个测量机构形成了连接。本发明测量谐振腔中光阑的成像时，巧妙地使用谐振腔中激起的激光作为照明光源，简化了光源设计，不需要对光路和装置做任何附加的调整就可以同时测量谐振腔的损耗。同时完成谐振腔内激光模式和光阑的实时成像测量。整个装置组件配置合理，各环节衔接恰当，自成系统，结构紧凑，操作方便。

光电探测组件恰当地组合以及构成了与其他组件的数据和信号连接，完成了光电探测组件传送的微弱信号的放大，光电探测组件分为前级和二级放大，前级放大根据激光光源的出光功率和激光谐振腔中强迫振荡的激光模式光强的大小和频率来设计前级放大器的放大倍数和频率响应带宽，大大提高了装置测量的信噪比。另外在光电探测器前加装遮光管后，使整个光路的调节可以在自然光或有照明光的环境下进行，方便进行调试。技术方案中采用了信息反馈，根据激光谐振腔光强的大小，可以调节探测器的放大倍数，获得最佳的信噪比，从而提高测量精度，有效地进行了自动控制。

本发明的实现还在于：基础设备中可进行测量途径切换的光开关组件2主要由快速触发驱动电路、测量途径选择开关、声光调制驱动器和声光调制器组成，快速触发驱动电路、声光调制驱动器安装于光学平板和光学平台的夹层中间，声光调制器安装在激光器的出光口处，快速触发驱动电路的数据输入端与光电探测组件中二级放大器的数据输出端相连，快速触发驱动电路的数据输出端通过测量途径选择开关与声光调制驱动器的数据输入相连，声光调制驱动器的数据输出端与声光调制器的数据输入端相连，测量途径选择开关的中心抽头连接到声光调制驱动器的输入端，通过切换该开关实现激光陀螺谐振腔不同损耗范围的测量切换，测量途径选择开关安装于光学平板的边侧。

可进行测量途径切换的光开关组件利用了驱动电压低、功耗小的声光调制器作光开关，具有消光比大，调制效率高，光开关控制电路功耗低，电路开发容易的优点，可进行测量途径切换的光开关组件在光路上设置了开关，在电路上形成了信号反馈的控制回路。

本发明的实现还在于基础设备中的光路调整组件按光的传播方向依次安装有声光调制器、起偏器、平面反射镜、光阑、偏振器、球面反射镜、1/2波片、石英平行平板组、谐振腔安放架、半透半反射镜，其中平面反射镜和球面反射镜安装位置靠近光学平板的侧边上、下角处，使光路进行两次90度顺时针方向的转折，转折后再经石英平行平板组调节射入被测谐振腔中，被测激光谐振腔固定安装于谐振腔安放架上，谐振腔安放架26固定于光学平板上，石英平行平板组由两块平行放置的石英板组成，分别可作轴向转动，声光调制器既是光开关组件的组成件，又是光路调整组件的组成件。

采用精密的光路调整组件可以根据测量要求获得需要的P态、S态、或其混合态的扫频激光，输出的激光经起偏器后变为线偏振光，改变入射光射入1/2波片的角度，可以获得所需的线偏振光且能量不衰减，尤其是半透半反镜的运用将光路一分为二通过光电探测组件和CCD组件分别完成激光陀螺谐振腔损耗测量和谐振腔内光阑及光斑的实时成像。

本发明的实现还在于放置被测谐振腔的谐振腔安放架的锁紧旋钮位置靠光学平板的外侧，谐振腔角度调整旋钮和谐振腔角度调节锁紧旋钮在谐振腔安放架的一侧，谐振腔安放架上的圆柱形谐振腔固定架向光学平板内伸，被测谐振腔靠其中心圆孔套装在谐振腔安放架的圆柱形谐振腔固定架上，并可用锁紧旋钮锁紧，调整谐振腔安放架右侧的谐振腔角度调整旋钮和谐振腔角度调节锁紧旋钮可以使谐振腔绕谐振腔安放架转动和锁紧。

安放机构是保障测试精度的重要组成部分，本发明从调整使用方便的实际需要考虑，设计了与被测谐振腔适用的谐振腔安放架以及圆柱形谐振腔固定架，设置了调整旋钮以及锁紧机构，保障测试的精度和测试过程的可靠性。

本发明作为一种激光陀螺谐振腔损耗及激光模式测量方法，其实现是采用上述的激光陀螺谐振腔损耗及激光模式测量装置，针对被测谐振腔损耗的大小范围选择两种不同的途径进行测量，即谐振途径和时间衰减途径，在不能判定被测谐振腔损耗的大小时，先从谐振途径进行测量，损耗小时转入时间衰减途径进行测量，以提高测量精度。

具体的测试步骤如下：

第一步：首先目视调整好光路，安放好被测激光陀螺谐振腔，保证激光从被测激光器谐振腔下方的一个透镜射入，谐振后从谐振腔下方的另一个透镜能透出的微弱激光进入光电探测器；

第二步：进行P态和S态偏振光光强的确认，光电探测器中心对准被测激光陀螺谐振腔透射光方向，锯齿波发生器输出重复扫描的锯齿波，经压电陶瓷线性驱动电源放大驱动粘有反射镜的压电陶瓷管，He-Ne激光器输出扫频激光，此时可以观察计算机屏幕上的谐振曲线界面，会出现2～6组间隔很密的尖峰脉冲信号，每一组中有多个不同宽度的尖峰脉冲，缓慢转动1/2波片，可以观察到尖峰脉冲幅度的升降，脉宽大的尖峰代表P态偏振光光强，脉宽小的尖峰代表S态的偏振光强度，计算机自动记录P态和S态偏振光光强；

第三步：测量途径选择开关15切换到谐振途径一侧，测量P态偏振光损耗，精确缓慢转动1/2波片，继续观察计算机屏幕直至S态的偏振光曲线最小或基本消失，观察其中一组P态偏振光曲线，一组曲线从最右往左依次为TEM00、TEM01、TEM10、…、测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽(t₀、t₁、t₂)以及这组曲线和下组曲线之间的间隔T，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、各个模式之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗；

第四步：测量S态偏振光损耗，方法与第三步相同，只是屏幕上显示的是S态偏振光曲线，其他测量同上，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、各个模式之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗；

第五步：如果按照第一到四步的测量方法，观察计算机屏幕生成的谐振腔模式过多时，改变锯齿波发生器的扫描范围，并配合光路的调整，使计算机屏幕上只显示一个主模式TEM₀₀和一个很靠近它的横向模式TEM₀₁或者TEM₁₀，此时，计算测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽t₀、t₁、t₂以及TEM00和TEM01或TEM00和TEM10曲线之间的时间间隔，来计算光学损耗。

本发明根据激光陀螺谐振腔损耗的大小，提供两种途径来测量激光陀螺谐振腔损耗的大小，即谐振途径和时间衰减途径，当激光陀螺的损耗较大时用谐振途径测量，当损耗较小时用时间衰减途径测量。同时可以实时测量谐振腔内光阑和激光光斑的相对位置。解决了激光陀螺的损耗精确测量的实际问题。

本发明的实现还在于从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗时，具体的测试步骤的第一步和第二步同上所述，

第三步：测量途径选择开关切换到谐振途径一侧，通过光路将被测模式的曲线调到幅度最大，设置光开关关断对应的幅度值，设置原则为：设置的幅度值小于被测模式的曲线幅度但大于其它所有的曲线幅度的最大值；

第四步：将测量模式切换开关切换到时间衰减途径一侧，此时光开关在曲线幅度到达设置点时关断激光，从屏幕上可以观察到被测曲线形状发生了衰减变化，测量关断激光后被测激光模式在陀螺谐振腔中衰减到为零的时间τ，根据时间τ与陀螺谐振腔损耗成反比的关系计算出谐振腔的损耗。

采用时间衰减进行陀螺谐振腔损耗的测量是本发明的一个重要的创新点，随着技术进步，激光陀螺产品的质量越来越高，谐振腔的损耗也越来越小，一方面对于激光陀螺谐振腔损耗的检测装置和方法的精度要求自然也会越来越高，另一方面对于损耗小的陀螺谐振腔检测的量也会越来越大。本发明针对不同的损耗范围进行不同途径的检测，针对性更强，检测的精度高，尤其是采用时间衰减途径对小损耗谐振腔的检测不仅为现有的生产厂家、研究的客观需要提供一种有效的设备和方法，也为未来高质量激光陀螺产品的检测提供了大的应用空间和应用范围。

本发明的实现还在于作为激光陀螺谐振腔损耗测量方法，无论从谐振途径还是从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，人眼监视计算机屏幕观察被测谐振腔光阑的图像和激光光斑的图像的距离，配合测量软件，自动测量光阑中心和激光光斑中心的距离。

完成谐振腔内光阑和激光光斑的实时成像测量。

本发明的实现还在于激光陀螺谐振腔损耗测量方法，无论从谐振途径还是从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，可以测量同一模式不同偏振态曲线的相位差，具体步骤的第一步和第二步与前相同。

第三步：继续调整光路，能够在计算机屏幕上观察到被测谐振腔激光的同一模式不同偏振(P、S)态曲线为止，此时计算机可以算出被测量的相位差值。

本发明的实现还在于测试步骤的第一步至第三步同谐振途径测量，

第四步：根据计算机屏幕上出现的多组间隔很密的尖峰脉冲信号各组尖峰脉冲之间的距离，配合调试软件分段调节锯齿波发生器输出的锯齿波的斜率使各组尖峰脉冲等间隔出现，则可以对压电陶瓷做线性化校正。

对压电陶瓷做线性化校正可以有效提高激光陀螺谐振腔损耗的测量精度，使得所测得损耗值很准，也特别适于对损耗小的激光陀螺谐振腔进行检测。

由于本发明光路上进行了转折设计，同时所有的光学元件都设计为可以进行灵活调节的器件，高低、角度、位置均可调节，一方面使整个装置的体积大大缩小，同时也方便调试光路；测量谐振腔中光阑的成像时，巧妙地使用谐振腔中激起的激光作为照明光源，简化了光源设计，并获得所需要的激光照射光源；光电探测组件分为前级和二级放大，前级放大根据激光光源的出光功率和激光谐振腔中强迫振荡的激光模式光强的大小和频率来设计前级放大器的放大倍数和频率响应带宽，大大提高了装置测量的信噪比；另外在光电探测器前加装遮光管后，使整个光路的调节可以在自然光或有照明光的环境下进行，整个装置调试方便，结构紧凑，操作方便，体积小。

本发明设置了在半透半反镜的透射光路上装有光电探测器组件，反射光路上安装有CCD成像器件，分别完成激光陀螺谐振腔损耗测量和谐振腔内光阑及光斑的实时成像。纳秒级的快速触发驱动电路，来驱动声光调制器起到光开关的目的，克服了以往电光调制器作光开关存在体积大、驱动电压大、而消光比小的缺点。本发明解决了单一方法测量未知激光陀螺谐振腔损耗精度低的问题，只要切换一下测量途径选择开关不需对装置进行任何其它的安装和变化就可以实现在同一装置上进行两种不同途径的损耗测量。即可以根据损耗的大小采用两种途径来测量激光陀螺谐振腔损耗的大小，即当激光陀螺的损耗较大时用谐振途径测量，当损耗较小时用时间衰减途径测量。两种方法用同一装置完成，提高了测量精度，减小了测量成本。在测量激光陀螺谐振腔损耗的大小的同时还可以实时测量谐振腔内光阑和激光光斑的相对位置。解决该技术领域的设备和测量技术空缺，提供了对于激光陀螺谐振腔损耗高精度的测量装置和方法。

附图说明：

图1是本发明的组成示意图；

图2是本发明的激光光源组件组成示意图；

图3是本发明的光开关组件组成示意图；

图4是本发明的光路调整组件组成示意图；

图5是本发明的光电探测组件组成示意图；

图6是本发明的CCD组件组成示意图；

图7是本发明的谐振腔安放架结构示意图，图7(a)是谐振腔安放架的主视图，图7(b)是谐振腔安放架的左视图，图7(c)是谐振腔安放架的俯视图；

图8是用本发明装置测试的激光陀螺谐振腔中的谐振曲线图；

图9是用本发明装置测试的激光陀螺谐振腔中的S偏振态谐振曲线图；

图10是用本发明装置时间衰减法测试的波形图，其中图10(a)是衰减前的波形图，图10(a)是衰减后的波形图。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本发明作为激光陀螺谐振腔损耗测量装置，基础设备主要包括有激光光源组件1、可进行测量途径切换的光开关组件2、光路调整组件3、光电探测组件4、CCD组件5、计算机6和置于光学平台8之上的光学平板7，激光光源组件1中的激光器12、可进行测量途径切换的光开关组件2的声光调制器17、光路调整组件3、光电探测组件4和CCD组件5均置于光学平板7上，即光路元件按图4所示布局在光学平板7上，按光的传播方向依次安装有激光器12、声光调制器17、光路调整组件3，经安装于光路调整组件3中的半透半反镜27后其中有一路光经半透半反镜27反射后入射到CCD组件5的CCD摄像头34，CCD组件5的电路输出接入计算机6的相应数据端，参见图6，另一路光经半透半反镜27透射后入射到光电探测组件4的光电探测前级放大器31上，光电探测组件4的电信号输出又分为两路，其中一路信号反馈接在可进行测量途径切换的光开关组件2的快速触发驱动电路14的输入端，另一路信号接至计算机6的数据采集卡33上，锯齿波发生器9做成硬件卡插在计算机PCI插槽内，输出信号驱动激光光源组件1中激光器12内的粘有反射镜的粘有反射镜的压电陶瓷管11。

参见图2，激光光源组件1包含有锯齿波发生器9、压电陶瓷驱动电源10和装有粘有反射镜的压电陶瓷管11的氦氖激光器12，氦氖激光器12选用半外腔式，锯齿波发生器卡9安装于计算机6机箱内，其输出电缆连接到压电陶瓷驱动电源10的输入端，压电陶瓷驱动电源10的输出端由电缆连接到氦氖激光器12内的粘有反射镜的压电陶瓷管11上。激光器12由激光器电源13供电。粘有反射镜的压电陶瓷管的伸长范围为1～2微米，扫频激光器12为腔长小于150毫米的半外腔式氦氖激光器，用计算机软件输出补偿粘有反射镜的压电陶瓷管非线性的锯齿波，从而使粘有反射镜的压电陶瓷管11线性伸长，线性输出扫频激光。测量人员通过计算机界面选择锯齿波输出幅度和间隔，输出的锯齿波驱动压电陶瓷驱动电源10，线性产生0～300V变化的电压加在扫频激光器12的粘有反射镜的压电陶瓷管11上，粘有反射镜的压电陶瓷管的伸缩带动粘接在其上的反射镜运动，从而改变扫频激光器12的腔长得到线性扫频的单纵模激光输出。扫频激光器12输出的激光经光路调整和转折后得到需要的偏振状态的激光，从被测激光陀螺谐振腔29的一侧射入谐振腔内，在环形腔内连续运行，由于所测环形腔光路上的4个反射镜中有两个是全反射镜，另外两个也是能透过极小光的高反射镜，当扫频激光器输出的连续扫频激光射入谐振腔后，通过光电探测器测量从另一反射镜透出光的光强瞬时曲线，经高频数据采集卡33采集，计算机分析计算后可以得到谐振腔的损耗值。

参见图5，基础设备中光电探测组件4主要由光电探测前级放大器31、放大倍数可调的二级放大器32以及数据采集卡33组成，光电探测前级放大器31安放于一内外均涂黑的电磁光屏蔽盒内，其中的光电探测器前加装遮光筒与屏蔽盒连为一体，谐振腔的透射光经遮光筒照射在光电探测器上，光电探测前级放大器31的电路输出接二级放大器32，二级放大器32的输出信号接光开关组件2的快速触发驱动电路14，二级放大器32的输出信号同时通过数据采集卡33接在计算机6，计算机6通过串口可自动调节二级放大器32的放大倍数。

实施例2：

总体装置同实施例1，参见图3，基础设备中的光开关组件2主要由快速触发驱动电路14、测量途径选择开关15、声光调制驱动器16和声光调制器17组成，快速触发驱动电路14、声光调制驱动器16安装于光学平板7和光学平台8的夹层中间，声光调制器17安装在激光器12的出光口处，快速触发驱动电路14的响应速度设计为纳秒级，其数据输入端与光电探测组件4中二级放大器32的数据输出端相连，快速触发驱动电路14的数据输出端通过测量途径选择开关15与声光调制驱动器16的数据输入相连，声光调制驱动器16的数据输出端与声光调制器17的数据输入端相连，测量途径选择开关15的中心抽头连接到声光调制驱动器16的输入端，通过切换该开关实现激光陀螺谐振腔不同损耗范围的测量切换，测量途径选择开关15安装于光学平板7右上角，声光调制器电源18为光开关组件2供电。光开关使用驱动电压低、功耗小的声光调制器作光开关，与采用电光调制器作光开关相比，消光比大，调制效率高，光开关控制电路功耗低，电路开发容易。

实施例3：

总体装置同实施例2，参见图4，基础设备中的光路调整组件3按光的传播方向依次安装有声光调制器17、起偏器19、平面反射镜20、光阑21、偏振器22、球面反射镜23、1/2波片24、石英平行平板组25、谐振腔安放架26、半透半反射镜27，其中光学元件都设计为可以进行灵活调节的器件，高低、角度、位置均可调节，在被测谐振腔29的一角上安放有二维调节架28，可以辅助调节谐振曲线。平面反射镜20和球面反射镜23安装位置靠近光学平板7的右侧边上角和下角处，使光路进行两次90度顺时针方向的转折，转折后再经石英平行平板组25调节射入被测谐振腔中。被测激光谐振腔29固定安装于谐振腔安放架26上，谐振腔安放架26通过支架40固定于光学平板7上，石英平行平板组25由两块平行放置的石英板组成，分别可作轴向转动和位置移动，即分别可完成高低、角度和位置方向的调整。声光调制器17既是光开关组件2的组成件，又是光路调整组件3的组成件。整个基础设备中连接电缆通过板上开孔引到对应连接端，锯齿波发生器卡9、数据采集卡33、CCD图像采集卡35插在计算机机箱内，计算机位于靠近光学平台的计算机桌上。其它部分可以安装在光学平板7和光学平台8的夹层间，以充分利用空间。扫频激光器12通过底架安装在光学平板7上，底架可以进行XYZ三个方向的调节。

实施例4：

总体装置同实施例3，谐振腔安放架26通过下端的支架40用螺钉安装与光学平板7上。参见图7，放置被测谐振腔29的谐振腔安放架26的锁紧旋钮37位置靠光学平板7的外侧，见图7(b)；谐振腔角度调整旋钮38和谐振腔角度调节锁紧旋钮39在谐振腔安放架26的右侧，见图7(a)；谐振腔安放架26上的圆柱形谐振腔固定架36伸向光学平板7内侧，参见图7(c)；被测谐振腔29靠其中心圆孔套装在谐振腔安放架26圆柱形谐振腔固定架36上，并可用锁紧旋钮37锁紧，调整谐振腔安放架26右侧的谐振腔角度调整旋钮38和谐振腔角度调节锁紧旋钮39可以使谐振腔绕谐振腔安放架26转动和锁紧。

固定扫频激光器12的底架可以进行XYZ三个方向的调节，起偏器、1/2波片、平面反射镜、球面反射镜、检偏器、两块石英平行平板都可以完成XYZ方向的调节，固定声光调制器的底架也固定于光学平板7，也可完成高低、角度和位置方向的调节。起偏器和检偏器配合可以调节入射到谐振腔的光强大小，调节1/2波片可以调节射入谐振腔的激光偏振态。

光机电各组件的构成和连接，配合专用的测量软件，本发明可以对激光陀螺谐振腔的损耗测量同时进行谐振腔内光阑和激光光斑的实时成像测量，由于测量精度高且方法得当尤其可以实现对损耗小的激光陀螺谐振腔进行测量。

实施例5：

本发明作为一种激光陀螺谐振腔损耗测量方法，采用发明内容中所述的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，本实施例中具体是采用实施例4所述的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，针对被测谐振腔损耗的大小范围选择两种不同的途径进行测量，即谐振途径和时间衰减途径，在不能判定被测谐振腔损耗的大小时，先从谐振途径进行测量，损耗小时，转入时间衰减途径进行测量。

具体的测试步骤如下：

第一步：打开装置的总电源，声光调制器电源打开，被测激光器29安放在谐振腔安放架26上，谐振腔安放架26可以调节，安放好被测激光陀螺谐振腔29，激光器12水平放置。首先目视调整好光路，测量途径切换开关15打到谐振途径一侧，给激光器供电，使其输出激光，调整声光调制器17的放置位置，让激光入射到声光调制器17的孔中心发生布喇格衍射，即：使一级光斑能量最大，零级光斑能量最小，然后锁紧声光调制器17。保证激光从被测激光谐振腔29下方的一个透镜射入，谐振后从谐振腔下方的另一个透镜能透出的微弱激光进入光电探测器为调整原则。

第二步：进行P态和S态偏振光光强的确认，光电探测器中心对准被测激光陀螺谐振腔透射光方向，锯齿波发生器输出重复扫描的锯齿波，经压电陶瓷线性驱动电源10放大后驱动粘有反射镜的压电陶瓷管11，驱动电源10为0～5V输入，0一300V输出的线性放大电源。He-Ne激光器12选用半外腔式，He-Ne激光器12输出扫频激光，此时可以观察计算机屏幕上的谐振曲线界面，会出现多组间隔很密的尖峰脉冲信号，参见图8，出现了两组S、P混合偏振态谐振曲线，每一组中有多个不同宽度的尖峰脉冲，缓慢转动1/2波片，可以观察到尖峰脉冲幅度的升降，脉宽大的尖峰代表P态偏振光光强，脉宽小的尖峰代表S态的偏振光强度，计算机自动记录P态和S态偏振光光强。

第三步：测量途径选择开关切换到谐振法一侧，测量P态偏振光损耗，精确缓慢转动1/2波片，继续观察计算机屏幕直至S态的偏振光曲线最小或基本消失，观察其中一组P态偏振光曲线，一组曲线从最右往左依次为TEM00、TEM01、TEM10、…、测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽(t₀、t₁、t₂)以及这组曲线和下组曲线之间的间隔T，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、各个模式之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗。

第四步：测量S态偏振光损耗，方法与第三步相同，只是屏幕上显示的是S态偏振光曲线，见图9，其他测量同上，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、各个模式之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗。

第五步：如果按照前面一到四部的测量方法，观察计算机屏幕生成的谐振腔模式过多时，可以改变锯齿波发生器的扫描范围，并配合光路的调整，使计算机屏幕上只显示一个主模式(TEM₀₀)和一个很靠近它的横向模式(TEM₀₁或者TEM₁₀)，计算测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽(t₀、t₁、t₂)以及TEM00和TEM01或TEM00和TEM10曲线之间的时间间隔。来计算光学损耗。

实施例6：

总体装置同实施例4，初始测量方法同实施例5，若采用上面的第一到第五步测量的激光陀螺谐振腔的损耗很小，如所测损耗小于1500ppm(百万分之一)，则可以切换测量模式，改用下面的时间衰减法测量损耗。

具体的测试步骤的第一步和第二步同实施例5，

第三步：测量途径选择开关15切换到谐振途径一侧，通过光路将被测模式的曲线调到幅度最大，参见图10(a)，设置光开关关断对应的幅度值，设置原则为：设置的幅度值小于被测模式的曲线幅度但大于其它所有的曲线幅度的最大值。

第四步：将测量模式切换开关切换到时间衰减法一侧，此时光开关在曲线幅度到达设置点时关断激光，从屏幕上可以观察到被测曲线形状发生了衰减变化，见图10(b)，测量关断激光后被测激光模式在陀螺谐振腔中衰减到为零的时间τ，根据时间τ与陀螺谐振腔损耗成反比的关系计算出谐振腔的损耗。

当谐振腔的损耗较大时，可以用这种谐振法测量。当用谐振法测量发现损耗较小时，可以切换时间衰减法测量，此时，只需将面板上切换开关拨到时间衰减一侧，光路不变，从计算机屏幕上观察需要测量的激光光强曲线，通过计算机键盘设置衰减电平后，控制电路立即控制光开关在设置点处自动关断激光光源，光电探测器自动测量透出谐振腔的衰减光强曲线，由高频采集卡送计算机后由装置完成自动损耗测量，两种测量方法对应不同的损耗测量范围，提高了测量精度。激光陀螺损耗越低，时间衰减法测量的精度越高。

实施例7：测量光阑30中心和激光光斑中心的距离

总体装置同实施例4，无论从谐振途径还是此时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，人眼监视计算机屏幕观察被测谐振腔光阑30的图像和激光光斑的图像的距离，配合测量软件，自动测量光阑30中心和激光光斑中心的距离。

在谐振腔透出光的光路上，放置了半透半反镜，透射光沿直线光路射入光电探测器，反射光经成像透镜射入CCD光敏面，由CCD接收后送计算机内的图像采集卡35作成像处理，可以在测量谐振腔损耗的同时测量谐振腔内光阑和激光光斑的相对位置，计算激光光斑中心和光阑中心的距离，获知激光光斑形状。

实施例8：同一模式不同偏振态曲线的相位差测量

总体装置同实施例4，无论从谐振途径还是从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，可以测量同一模式不同偏振态曲线的相位差，具体步骤的第一步和第二步同实施例5，

第三步：继续调整光路，比如缓慢转动1/2波片，能够在计算机屏幕上观察到被测的同一模式不同偏振(P、S)态曲线为止，此时计算机可以算出被测量的相位差值。

实施例9：对压电陶瓷做线性化校正

测试步骤的第一步至第三步同实施例5或6，

第四步：根据计算机屏幕上出现的多组间隔很密的尖峰脉冲信号各组尖峰脉冲之间的距离，配合调试软件分段调节锯齿波发生器输出的锯齿波的斜率使各组尖峰脉冲等间隔出现，则可以对压电陶瓷做线性化校正，实现高精度的谐振测量。

扫频激光器12为腔长小于150毫米的半外腔氦氖激光器，粘有反射镜的压电陶瓷管11的伸长范围为1～2微米，可以用计算机软件输出补偿粘有反射镜的压电陶瓷管11非线性的锯齿波，从而使粘有反射镜的压电陶瓷管线性伸长，线性输出扫频激光。

实施例10：

总体装置同实施例4，参见图4，将被测激光器谐振腔29安装到放置谐振腔的机械安放架26上，此时运行测量软件，锯齿波发生器卡9重复输出锯齿波，粘有反射镜的压电陶瓷管11线性伸长，激光器12输出线性扫频的单模激光。调节谐振腔安放架26，使激光经过光路调节后从谐振腔的一平面反射镜透射进入被测谐振腔内，调节石英平行平板组，有微弱的激光从另一平面反射镜透射出来，将光电探测器对准此透射激光，此时可以观察计算机6屏幕上的谐振曲线界面，参见图8，可能会出现2组间隔很密的尖峰脉冲信号，每一组中有多个不同宽度的尖峰脉冲，缓慢转动1/2波片，可以观察到尖峰脉冲幅度的升降，脉宽大的尖峰代表P态偏振光光强，脉宽小的尖峰代表S态的偏振光强度。此时调节石英平行平板组可以观察到各尖峰脉冲幅度的升降，此时光路调节正常可以进行相关的测量。如果所测谐振腔的损耗小，则可以切换测量模式，改用时间衰减途径测量损耗。

实施例11：

测量装置和方法均同实施例10，随着压电陶瓷管的线性伸长，尖峰脉冲出现的组数会增加，当压电陶瓷管伸长2微米时，可以观察计算机6屏幕上的谐振曲线界面，会出现6组间隔很密的尖峰脉冲信号。利用中间的两组测量效果更好。

Claims (7)

1.一种激光陀螺谐振腔损耗测量装置，包括有激光光源组件(1)、可进行测量途径切换的光开关组件(2)、光路调整组件(3)、光电探测组件(4)、CCD组件(5)、计算机(6)和置于光学平台(8)之上的光学平板(7)，激光光源组件(1)中的激光器(12)、可进行测量途径切换的光开关组件(2)的声光调制器(17)、光路调整组件(3)、光电探测组件(4)和CCD组件(5)均置于光学平板(7)上，按光的传播方向依次安装有激光器(12)、声光调制器(17)、光路调整组件(3)，经安装于光路调整组件(3)中的半透半反镜(27)后，其中有一路光经半透半反镜(27)反射后入射到CCD组件(5)的CCD摄像头(34)上，CCD组件(5)的电路输出接入计算机(6)的相应数据端，另一路光经半透半反镜(27)透射后入射到光电探测组件(4)的光电探测器上，光电探测组件(4)的电信号输出又分为两路，其中一路信号反馈接在可进行测量途径切换的光开关组件(2)的快速触发驱动电路(14)的输入端，另一路信号接至计算机(6)的数据采集卡(33)上，计算机(6)中安装的锯齿波发生器卡(9)的控制信号驱动激光光源组件(1)中激光器(12)内的粘有反射镜的压电陶瓷管(11)；光电探测组件(4)主要由光电探测前级放大器(31)、放大倍数可调的二级放大器(32)以及数据采集卡(33)组成，光电探测前级放大器(31)安放于一内外均涂黑的电磁光屏蔽盒内，其中的光电探测器前加装遮光筒与屏蔽盒连为一体，谐振腔的透射光经遮光筒照射在光电探测器上，二级放大器(32)的输出信号接可进行测量途径切换的光开关组件(2)的快速触发驱动电路(14)，二级放大器(32)的输出信号同时通过数据采集卡(33)接在计算机(6)上，计算机(6)通过串口可自动调节二级放大器(32)的放大倍数；所述可进行测量途径切换的光开关组件(2)主要由快速触发驱动电路(14)、测量途径选择开关(15)、声光调制驱动器(16)和声光调制器(17)组成，快速触发驱动电路(14)、声光调制驱动器(16)安装于光学平板(7)和光学平台(8)的夹层中间，声光调制器(17)安装在激光器(12)的出光口处，快速触发驱动电路(14)的数据输入端与光电探测组件中二级放大器(32)的数据输出端相连，快速触发驱动电路(14)的数据输出端通过测量途径选择开关(15)与声光调制驱动器(16)的数据输入相连，声光调制驱动器(16)的数据输出端与声光调制器(17)的数据输入端相连，测量途径选择开关(15)的中心抽头连接到声光调制驱动器(16)的输入端，通过切换该开关实现激光陀螺谐振腔不同损耗范围的测量切换，测量途径选择开关(15)安装于光学平板(7)的边侧；所述光路调整组件(3)按光的传播方向依次安装有声光调制器(17)、起偏器(19)、平面反射镜(20)、光阑(21)、偏振器(22)、球面反射镜(23)、1/2波片(24)、石英平行平板组(25)、谐振腔安放架(26)、半透半反射镜(27)，其中平面反射镜(20)的安装位置靠近光学平板(7)侧边的上角处，球面反射镜(23)安装位置靠近光学平板(7)的侧边的下角处，使光路进行两次90度顺时针方向的转折，转折后再经石英平行平板组(25)调节射入被测谐振腔中，被测激光谐振腔固定安装于谐振腔安放架(26)上，谐振腔安放架(26)固定于光学平板(7)上，石英平行平板组(25)由两块平行放置的石英板组成，分别可作轴向转动，声光调制器(17)既是可进行测量途径切换的光开关组件(2)的组成件，又是光路调整组件(3)的组成件。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，其特征在于：所述放置被测谐振腔的谐振腔安放架(26)包括有：圆柱形谐振腔固定架(36)、锁紧旋钮(37)、谐振腔角度调整旋钮(38)、谐振腔角度调节锁紧旋钮(39)，谐振腔安放架(26)的锁紧旋钮(37)位置靠光学平板的外侧，谐振腔角度调整旋钮(38)和谐振腔角度调节锁紧旋钮(39)在谐振腔安放架(26)的一侧，谐振腔安放架(26)上的圆柱形谐振腔固定架(36)向光学平板内伸，被测谐振腔(29)靠其中心圆孔套装在谐振腔安放架(26)的圆柱形谐振腔固定架(36)上，并可用锁紧旋钮(37)锁紧，调整谐振腔安放架(26)右侧的谐振腔角度调整旋钮(38)和谐振腔角度调节锁紧旋钮(39)可以使谐振腔绕谐振腔安放架(26)转动和锁紧。

3.一种激光陀螺谐振腔损耗测量方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的激光陀螺谐振腔损耗测量装置，针对被测谐振腔损耗的大小范围选择两种不同的途径进行测量，即谐振途径和时间衰减途径，在不能判定被测谐振腔损耗的大小时，先从谐振途径进行测量，损耗小时转入时间衰减途径进行测量，

具体的测试步骤如下：

第一步：首先目视调整好光路，安放好被测激光陀螺谐振腔，保证激光从被测谐振腔(29)下方的一个透镜射入，谐振后从谐振腔下方的另一个透镜能透出的微弱激光进入光电探测器；

第二步：进行P态和S态偏振光光强的确认，光电探测器中心对准被测激光陀螺谐振腔透射光方向，锯齿波发生器输出重复扫描的锯齿波，经压电陶瓷线性驱动电源(10)放大驱动粘有反射镜的压电陶瓷管(11)，激光器(12)输出扫频激光，此时可以观察计算机屏幕上的谐振曲线界面，会出现多组间隔很密的尖峰脉冲信号，每一组中有多个不同宽度的尖峰脉冲，缓慢转动1/2波片，可以观察到尖峰脉冲幅度的升降，脉宽大的尖峰代表P态偏振光光强，脉宽小的尖峰代表S态的偏振光强度，计算机自动测量P态和S态偏振光光强；

第三步：测量途径选择开关(15)切换到谐振途径一侧，测量P态偏振光损耗，精确缓慢转动1/2波片，继续观察计算机屏幕直至S态的偏振光曲线最小或基本消失，观察其中一组P态偏振光曲线，一组曲线从最右往左依次为TEM00、TEM01、TEM10、…、测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽t₀、t₁、t₂以及这组曲线和下组曲线之间的间隔T，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、这组曲线和下组曲线之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗；

第四步：测量S态偏振光损耗，方法与第三步相同，只是屏幕上显示的是S态偏振光曲线，根据被测谐振腔腔长、激光器腔长、这组曲线和下组曲线之间的时间间隔以及半高宽就可计算出各模式下的损耗；

第五步：如果按照第一到四步的测量方法，观察计算机屏幕生成的谐振腔模式过多时，改变锯齿波发生器的扫描范围，并配合光路的调整，使计算机屏幕上只显示一个主模式TEM₀₀和一个很靠近它的横向模式TEM₀₁或者TEM₁₀，计算测量TEM00、TEM01、TEM10曲线的半高宽t₀、t₁、t₂以及TEM00和TEM01或TEM00和TEM10曲线之间的时间间隔，来计算光学损耗。

4.根据权利要求3所述的激光陀螺谐振腔损耗测量方法，其特征在于：从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗，具体的测试步骤的第一步和第二步同权利要求3中的第一步和第二步，

第三步：测量途径选择开关(15)切换到谐振途径一侧，通过光路将被测模式的曲线调到幅度最大，设置光开关关断对应的幅度值，设置原则为：设置的幅度值小于被测模式的曲线幅度但大于其它所有的曲线幅度的最大值；

第四步：将测量模式切换开关切换到时间衰减途径一侧，此时光开关在曲线幅度到达设置点时关断激光，从屏幕上可以观察到被测曲线形状发生了衰减变化，测量关断激光后被测激光模式在陀螺谐振腔中衰减到为零的时间τ，根据时间τ与陀螺谐振腔损耗成反比的关系计算出谐振腔的损耗。

5.根据权利要求4所述的激光陀螺谐振腔损耗测量方法，其特征在于：无论从谐振途径还是从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，人眼监视计算机屏幕观察被测谐振腔光阑(30)的图像和激光光斑的图像的距离，配合测量软件，自动测量光阑(30)中心和激光光斑中心的距离。

6.根据权利要求4所述的激光陀螺谐振腔损耗测量方法，其特征在于：无论从谐振途径还是从时间衰减途径测量激光陀螺谐振腔损耗的同时，可以测量同一模式不同偏振态曲线的相位差，具体步骤的第一步和第二步同权利要求3中的第一步和第二步，

第三步：继续调整光路，能够在计算机屏幕上观察到被测的同一模式不同偏振态曲线为止，配合测量软件可以算出被测量的相位差值。

7.根据权利要求3所述的激光陀螺谐振腔损耗测量方法，其特征在于：测试步骤的第一步至第三步同权利要求3的第一步至第三步，

第四步：根据计算机屏幕上出现的多组间隔很密的尖峰脉冲信号各组尖峰脉冲之间的距离，配合调试软件分段调节锯齿波发生器输出的锯齿波的斜率使各组尖峰脉冲等间隔出现，则可以对压电陶瓷做线性化校正。