CN107869987B - 一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：它是由微环谐振腔、原子气泡和耦合锥形光纤组成；它们之间的关系是原子气泡插入到微环谐振腔中，耦合锥形光纤通过高精度的位移平台调节与微环谐振腔的距离将光耦合到微环谐振腔中；微环谐振腔是由二氧化硅为主体的回音壁模式谐振腔；原子气泡是碱金属原子气和光学涂层组成，光学涂层分别在碱金属原子气的光束入射面和出射面；耦合锥形光纤由两个锥形透镜光纤组成，一个锥形透镜光纤将光束引入微环谐振腔，另一个锥形透镜光纤将光束从微环谐振腔耦合出到探测器。本发明通过一种新颖的测试模式展宽的方法可显著提高集成谐振式陀螺的灵敏度。

Description

一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构
(一)技术领域
本发明涉及高灵敏度谐振式光学陀螺谐振腔结构，具体为一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，属于谐振式光学陀螺技术领域。
(二)背景技术
陀螺仪是测量角速度的惯性传感器，被誉为飞行控制的“大脑”，在兼顾高精度的同时小型可集成化的需求越来迫切。相对于机械转子陀螺，光学陀螺具有稳定性高、结构简单、成本低、精度高等优势，正经历从激光陀螺、光纤陀螺到集成光学陀螺的发展趋势。集成光学陀螺在体积和重量的大幅减小，对于航空航天航海和军事装备领域的应用是重大的改进；其次由于微电子工艺的成熟,大规模生产成本将大幅降低，使其在民用领域应用前景巨大。由Sagnac效应可知，光波导陀螺的有效面积是芯片级，故其灵敏度还不能与激光陀螺或光纤陀螺媲美，甚至还没有达到民用要求的速率级。在兼顾高精度的同时小型可集成化的需求越来迫切，陀螺的高精度和小型化是发展的两大趋势，但同时由于Sagnac效应又是相互制约的因素，所以寻求如何使小型化光学陀螺同时具有高精度一直是陀螺领域的关键瓶颈问题。集成光学陀螺的优势在于体积小、重量轻、功耗低等，缺点是精度差。如何在面积不变的情况下提升集成光学陀螺的灵敏度一直是讨论的核心问题。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的在于针对谐振光学陀螺灵敏度不高的问题，提供了一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构。
2、技术方案：
本发明适用于谐振式光学陀螺，谐振式光学陀螺一般由激光光源、环形谐振腔、耦合器、光电探测器和光电调制解调系统等组成，激光光源入射顺时针和逆时针两束光由耦合器进入谐振腔中谐振，当谐振腔转动时通过光电探测器和光电解调信号检测两束光的频率差，从而测量陀螺的转动角速度。
本发明是针对谐振式光学陀螺环形谐振腔的一种改进，为一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，它是由微环谐振腔、原子气泡和耦合锥形光纤组成(如图1)；它们之间的关系是原子气泡插入到微环谐振腔中，耦合锥形光纤通过高精度的位移平台调节与微环谐振腔的距离将光耦合到微环谐振腔中。
所述微环谐振腔是由二氧化硅为主体的回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)谐振腔；以795nm为输入中心波长，腔长为50倍的中心波长；
所述原子气泡是碱金属原子气和光学涂层组成(如图2)，光学涂层分别在碱金属原子气的光束入射面和出射面；所述的碱金属原子气为铷或铯碱金属原子气，所述的光学涂层的反射率为0.999；所述的原子气泡长度设定为5倍中心波长。
所述耦合锥形光纤由两个锥形透镜光纤组成，一个锥形透镜光纤将光束引入微环谐振腔，另一个锥形透镜光纤将光束从微环谐振腔耦合出到探测器。通过调节透镜光纤与微环谐振腔之间的距离使耦合率为2.156×1011Hz。
本发明为一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，光束通过耦合锥形光纤耦合到微环谐振腔中并在谐振腔中形成WGM模式，原子气泡是对谐振波长变化敏感的元件，当微环谐振腔转动时，Sagnac效应导致谐振波长的变化，光波经过原子气泡后将引起WGM模式展宽，通过测试旋转引起的WGM模式展宽可测的微环谐振腔的转动角速度。
3、优点及功效：
本发明一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，与现有集成光波导陀螺的谐振腔相比，通过一种新颖的测试模式展宽的方法可显著提高集成谐振式陀螺的灵敏度。
(四)附图说明
图1为本发明所述的谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构示意图；图中1-微环谐振腔 2-原子气泡 3-耦合锥形光纤；
图2为图1所示原子气泡示意图，图中21-碱金属原子气，22-光学涂层；
图3为本发明所述的谐振模式展宽的光学陀螺与传统谐振式陀螺的灵敏度对比。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，如图1所示，它是由微环谐振腔1、原子气泡2和耦合锥形光纤3组成；它们之间的关系是原子气泡2插入到微环谐振腔1中，耦合锥形光纤3通过高精度的位移平台调节与微环谐振腔的距离将光耦合到微环谐振腔中。
所述微环谐振腔1是由二氧化硅为主体的回音壁模式谐振腔，以795nm为输入中心波长，腔长为50倍的中心波长；
如图2所示，所述原子气泡2长度设定为5倍中心波长，是由碱金属原子气21和光学涂层22组成，光学涂层分别在碱金属原子气泡的光束入射面和出射面；所述的碱金属原子气21为铷或铯碱金属原子气，所述的光学涂层22的反射率为0.999。原子气能级结构采用铷(87Rb)D1线的三能级结构，由两个基态52S1/2 F＝1，52S1/2 F＝2和一个激发态52P1/2组成的Λ型结构。一束拉比频率为2.89×108Hz强驱动光场作用在能级52S1/2 F＝2和52P1/2使激发态能级劈裂，通过调节作用在能级52S1/2 F＝1和52P1/2上泵浦光(52S1/2 F＝1，52P1/2)泵浦率为2.89×106Hz使探针光场处于反常色散。强驱动光场和泵浦光是外加在铷原子气上的激发光。
所述耦合锥形光纤由两个锥形透镜光纤组成，一个锥形透镜光纤将光束引入微环谐振腔，另一个锥形透镜光纤将光束从微环谐振腔耦合出到探测器。通过调节透镜光纤与微环谐振腔之间的距离使耦合率为2.156×1011Hz。
本发明具体通过一种新颖的测试模式展宽的方法可显著提高集成谐振式陀螺的灵敏度。通过与相同谐振腔面积的传统的谐振式陀螺灵敏度对比，本发明所述的谐振模式展宽的光学陀螺灵敏度可提升6个数量级(如图3所示)。

Claims (6)

1.一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：该光学陀螺谐振腔结构是由微环谐振腔、原子气泡和耦合锥形光纤组成；该微环谐振腔、原子气泡和耦合锥形光纤之间的关系是原子气泡插入到微环谐振腔中，耦合锥形光纤通过高精度的位移平台调节与微环谐振腔的距离将光耦合到微环谐振腔中；
所述微环谐振腔是以二氧化硅为主体的回音壁模式谐振腔；
所述原子气泡是碱金属原子气和光学涂层组成，光学涂层分别在碱金属原子气的光束入射面和出射面；
所述耦合锥形光纤由两个锥形透镜光纤组成，一个锥形透镜光纤将光束引入微环谐振腔，另一个锥形透镜光纤将光束从微环谐振腔耦合出到探测器。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：所述的回音壁模式谐振腔以795nm为输入中心波长，腔长为50倍的中心波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：所述的碱金属原子气为铷或铯碱金属原子气。
4.根据权利要求1所述的一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：所述的光学涂层的反射率为0.999。
5.根据权利要求1所述的一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：所述的原子气泡长度设定为5倍中心波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于谐振模式展宽的光学陀螺谐振腔结构，其特征在于：所述的耦合锥形光纤通过调节透镜光纤与微环谐振腔之间的距离使耦合率为2.156×1011Hz。
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