CN1198117C - 激光器设备和陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种陀螺仪包括：用于产生在相反方向环状传播的激光束的激光器设备，其中从该激光器设备提取电信号，当该激光器设备保持静止时该激光束的振荡频率相互不同。

Description

激光器设备和陀螺仪
技术领域
本发明涉及激光器设备。本发明还涉及陀螺装置，更具体地，涉及使用半导体激光器的陀螺仪。
背景技术
用于检测物体角速度的已知陀螺仪包括包含转子或振荡器的机械陀螺仪以及光学陀螺仪。具体地，由于其显著的优点包括能够瞬时开始工作和表现出宽动态范围，光学陀螺仪带来了陀螺仪领域的技术革新。现今已知的各种光学陀螺仪包括环状激光器型陀螺仪，光纤陀螺仪和无源型环状谐振器陀螺仪。在这些陀螺仪中，利用气体激光器的环状激光器型陀螺仪是最早出现的并且现在在飞机中广泛应用这类陀螺仪。近年来，形成于半导体基片上的小型和高精密度的半导体激光器陀螺仪已经被提出。尤其是参见已公开日本专利申请No.5-288556。
根据上述专利公开，在半导体基片上形成的环状增益波导5711具有pn结并从电极5722向增益波导5711注入载流子，如图50所示，以便产生激光器振荡。然后，通过增益波导5711顺时针或逆时针传播的激光束被部分提取并在光吸收区5717产生相互干涉。然后，干涉波束通过另一个电极5723被提取作为光电流以查看干涉强度。在图50中，参考数字5712表示反射表面，参考数字5713和5714表示光学输出表面，参考数字5718和5719表示光学输出。
日本专利申请公开No.57-43486(美国专利4431308)公开了一种陀螺仪，该陀螺仪利用由转动引起的半导体激光器设备端子电压的变化，而没有将光线提取到该设备之外。参照图51，半导体激光器设备5792包括在其顶部和底部的两个电极5790和5791，数字5793表示用于阻断直流的电容，数字5794表示输出端子，数字5795表示电阻。该图描述了在环状激光器设备中作为激光器设备的半导体激光器设备被连接到驱动电源5796以便通过激光器设备端子上电压的变化检测顺时针和逆时针传播光线之间的频率差，如图51所示，当该装置被给定角速度时产生该频率差。
日本专利申请公开No.4-174317也教导了检测由转动引起的激光器设备端子电压的变化。
可是上述公开都不能检测物体的转动方向。这是因为即使转动方向不同当角速度相同时脉冲频率变得相等。
可是，因为已知如上所述的环状激光器型陀螺仪不适合于检测自身的转动方向，因此后者必须通过使用抖动(微振荡)来确定和确定抖动与所获得信号的相关性。
另外，在已知环状激光器型陀螺仪中，随着陀螺仪旋转振荡频率相互分开。当转动速度低时振荡频率差非常小并因此产生锁定现象，该现象中振荡频率被引导到一个振荡模式中。在环状激光器型陀螺仪中引人注目的锁定现象能够通过应用抖动来避免。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种陀螺仪，它能够检测转动方向而不利用例如抖动发生器之类的机械装置。
根据本发明，上述目的是通过提供一种陀螺仪实现的，该陀螺仪包括：
激光器设备，用于产生在相反方向环状传播的激光束；以及
信号检测装置，用于检测从所述激光器设备中输出的电信号或光信号；
其中，当所述激光器设备保持静止时所述激光束的振荡频率相互不同，且
所述激光器设备的波导包括不对称锥形区。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，包括：
一个激光器设备，具有包括至少其一部分布置为不对称锥形区的光波导，其中从所述激光器设备发出电信号。
激光器设备的所述波导可以是环状，且所述不对称锥形区可以设置在环状的外部或内部。
光波导的所述锥形区可以包括沿激光束传播方向逐渐扩展的第一锥形部分，和沿激光束传播方向逐渐变窄的第二锥形部分。
由所述第一和第二锥形区分别与呈现恒定宽度的光波导区限定的角可以是锐角。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，包括：
激光器设备，用于产生在相反方向环状传播的激光束；和
电信号检测装置，用于从所述激光器设备提取一个电信号；且
当所述激光器设备保持静止时激光束的振荡频率互不相同。
所述电信号检测装置可以包括一个电端子。
所述电信号检测装置可以是电压信号检测装置。
所述电信号检测装置可以包括一个频率-电压转换电路。
所述电信号检测装置可以包括一个减法电路。
根据本发明，还提供一种陀螺仪，包括：
激光器设备；和
脉冲信号检测装置；且
所述激光器设备具有包括至少其一部分布置为不对称锥形区的光波导。
根据本发明，还提供一种陀螺仪包括：
激光器设备，用于产生第一和第二激光束；和
光检测器，用于检测由所述第一和第二激光束的干涉产生的干涉光；且
当所述激光器设备保持静止时第一和第二激光束的振荡频率相互不同。
根据本发明，还提供一种激光器设备包括：
一个光波导，包括伸出到外部的不对称锥形区；
所述锥形区包括沿激光束传播方向逐渐扩展光波导的第一锥形部分，和沿激光束传播方向使光波导逐渐变窄的第二锥形部分；
由所述第一和第二锥形区分别与呈现恒定宽度的光波导区限定的角可以是锐角。
根据本发明的陀螺仪可以安装在摄像机、镜头单元、汽车、航空器或船舶中。
附图说明
图1A、1B和1C是表示由陀螺仪转动产生的脉动信号中可观察到的变化的示意图。
图2是本发明第一实施例的示意图。
图3是本发明第一实施例的另一个示意图。
图4是本发明第一实施例的另一个示意图。
图5是本发明第一实施例的另一个示意图。
图6是本发明第一实施例的另一个示意图。
图7是本发明第一实施例的另一个示意图。
图8是本发明第一实施例的另一个示意图。
图9是适合于发出脉动信号的电路的电路图。
图10是适合于发出脉动信号的另一个电路的电路图。
图11是F/V转换器电路的电路图。
图12是适合于发出脉动信号的另一个电路的电路图。
图13是适合于发出脉动信号的另一个电路的电路图。
图14是适合于发出脉动信号的另一个电路的电路图。
图15是适合于出脉动信号的另一个电路的电路图。
图16是适合于发出脉动信号的另一个电路的电路图。
图17是本发明第二实施例的示意图。
图18是根据本发明激光器设备的横断面图。
图19是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图20是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图21是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图22是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图23是图22激光器设备一部分的放大横断面图。
图24是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图25是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图26是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图27是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图28是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图29是根据本发明的另一个激光器设备的横断面图。
图30是用于本发明目的的如下所述例子的示意图。
图31是该例子的另一个示意图。
图32是表示电流与此例子的环状谐振腔型半导体激光器光输出之间关系的曲线图。
图33是该例子的另一个示意图。
图34是该例子的另一个示意图。
图35是该例子的另一个示意图。
图36是该例子的另一个示意图。
图37是该例子的另一个示意图。
图38是该例子的另一个示意图。
图39是该例子的另一个示意图。
图40是该例子的另一个示意图。
图41是该例子的另一个示意图。
图42是该例子一角的放大示意图。
图43是用于本发明目的的如下所述另一个例子的示意图。
图44是用于本发明目的的如下所述另一个例子的示意图。
图45是该例子的另一个示意图。
图46是用于本发明目的的如下所述另一个例子的示意图。
图47是用于本发明目的的如下所述另一个例子的示意图。
图48是用于本发明目的的如下所述另一个例子的示意图。
图49是根据本发明陀螺仪的工作原理的示意图。
图50是已知陀螺仪的示意图。
图51是已知陀螺仪的示意图。
具体实施方式
在说明本发明的优选实施例之前，将主要通过图49和公式来说明根据本发明陀螺仪的工作原理。
假设激光器设备包括如图49所示的光波导60。当使电流以超过阈值电平的强度流过时，发生激光振荡以产生一对激光束，并且所产生的激光束之一顺时针传播(图49中的方向61)，而另一个激光束逆时针传播(图49中的方向62)。这样，一对激光束在激光器设备中以相反方向传播。
只要激光器设备保持静止，顺时针传播激光束的频率与逆时针传播激光束的频率相等。
可是，一旦驱动激光器设备以图49中参考数字63表示的方向(顺时针)旋转，两个激光束开始表现出互不相同的频率。下面将更详细地说明。
如果顺时针传播激光束的频率是λ1，逆时针传播激光束的频率是λ2(＜λ1)并驱动激光器顺时针旋转，使顺时针传播的第一激光束振荡频率f1小于当不驱动激光器旋转时通过下列公式(1)所观察到的第一激光束振荡频率f10；
Δf1＝(2A1/λ1L1)·Ω  ......  (1)其中A1是第一激光束光路径所围绕的封闭面积，L1是第一激光束光学路径的长度，而Ω是激光器旋转运动的角速度。另一方面，使逆时针传播的第二激光束的振荡频率f2大于当不驱动激光旋转所观察的由下列公式(2)所表示的第二激光束的频率f20；
Δf2＝(2A2/λ2L2)·Ω  ......  (2)其中，A2是第二激光束光路径所围绕的封闭面积L2是第二激光束光路径的长度，Ω是激光器旋转运动的角速度。因为第一激光束和第二激光束在同一激光器中出现，产生通过第一激光束和第二激光束振荡频率的差或下面的公式(3)能够表示的脉动信号；
f2-f1＝f20-f10(Δf2+Δf1)＝f20-f10+[(2A2/λ2L2)·Ω+(2A1/λ1L1)·Ω]......(3)
另一方面，如果，驱动激光器逆时针旋转，产生通过第一激光束和第二激光束振荡频率的差或下面的公式(4)能够表示的脉动信号；
f2-f1＝f20-f10(Δf2+Δf1)＝f20-f10-[(2A2/λ2L2)·Ω+(2A1/λ1L1)·Ω]......(4)
同时，当激光器中存在两个或两个以上的不同振荡模式时，粒子数反转是所选择模式振荡频率的函数，随时间改变。该现象称为粒子数脉动。在使电流流过例如气体激光器或半导体激光器的情况下，粒子数反转呈现出与激光器阻抗一一对应的关系。在这样的激光器中当两个激光束相互干涉时，由干涉使粒子数反转改变从而改变激光器的电极之间的阻抗。当使用恒定电压源作为驱动电源时，此改变可以被作为端子电流的变化而被观察到。另一方面，当使用恒定电流源时，此改变也可以作为端子电流中的变化而被观察到并作为代表两个波束干涉的信号被提取。当然，也有可能通过阻抗计直接观察阻抗的改变。
这样，通过提供一个端子用于检测电流、电压或激光器阻抗的改变，有可能提取代表单位时间转动数量、或激光器旋转速度的脉动信号。另外，根据本发明，拍频按照转动方向以公式(3)和(4)表达的方式增加或减少。
因此，当激光器不转动时，有可能通过观察拍频按时间的增加或减少，如果有的话，来检测转动方向。
另一方面，当第一激光束与第二激光束的振荡波长相互相等时，由下面公式(5)表示的关系成立。
f20-f10＝0......  (5)
因此，拍频f2-f1可以是正值或负值。可是，只要拍频的绝对值保持相同，将从端子获得一样或相同的信号。在此情况下，不可能检测激光器转动方向。
可是，根据本发明，可以通过观察f2-f1绝对值的变化检测转动方向。另外，当f2-f1满足下列公式(6)表示的关系时，除了转动方向外可以检测激光器的角速度。
f2-f1≥0......(6)
这样，可以检测转动方向和角速度，如果这样安排以至拍频值经常地由相同符号引导(在下面的说明中为正，尽管相同符号可以是负)和唯一的拍频绝对值作为转动方向的函数而改变。
另外，有可能通过外部安装的光检测器检测脉动信号，而非通过观察所使用电压的改变、流过的电流或半导体激光器阻抗的改变来检测脉动信号。
具体地说，第一激光束和第二激光束被提取出半导体激光器。然后，在通过光检测器同时检测激光束时，它们相互干涉并在光检测器中产生作为振荡频率差的函数的脉动信号。
结果，在光检测器的电端子处能够检测脉动信号。
如同上面所指出的，对于公式(3)和(4)必须符合下面公式(7)的要求，以便不仅检测角速度而且也检测陀螺仪的转动方向。
f2-f1≠0......(7)
上述公式(7)的要求可以通过调节顺时针传播和逆时针传播的激光束强度来满足。
两个在相反方向上环状传播的激光束强度可以通过使激光束之一产生光损耗调节。
例如，当光波导是部分和不对称的锥形时，与进入锥形区光线有关的全反射条件被改变以引起对该光线的反射损耗。光线的入射角根据环状传播的方向改变和在两个方向之一上传播的光线呈现出大于相反方向上传播光线的损耗或反之亦然。结果，可以为相反方向传播的激光束振荡阈值选择不同值。然后，在相反方向上传播的激光束呈现出的光强度在激光器振荡时相互不同。
同时，已知当两个不同模式共存时，振荡频率f1和光子数密度S1呈现出由下列公式(8)和(9)所表示的关系；
2πf1+φ1＝Ω1+σ1-ρ1S1-τ12S2.........(8)和
2πf2+φ2＝Ω2+ρ2-ρ2S2-τ21S1.........(9)在此φi表示相位，Ωi表示谐振角频率，σi表示自模式拉动系数(self mode pullingcoefficient)和ρi表示自模式推动系数(self mode pushing coefficient)和τij表示交叉模式推动系数(cross mode pushing coefficient)。注意i，j＝1，2；i≠j。
一旦光波导的外形确定，Ωi、σi、ρi和τij变成常数。
另外，考虑到φi＝0意味着在激光器振荡期间不发生模式跳跃。
这样，从公式(8)和(9)，推导出当S1≠S2时f1≠f2。
现在，下面将主要讨论当激光器被驱动顺时针或逆时针转动时激光器设备的电信号(参见图1A到1C)。
在下列说明中，顺时针传播的激光束波长(此后称为“CW波束”)由λ1表示逆时针传播的激光束波长(此后称为“CCW波束”)由λ2(λ2＜λ1)表示。
图1A表示当激光器设备保持静止时可以获得的电信号。这里假设当激光器设备保持静止时可以获得的电信号具有周期tA。
当激光器设备顺时针转动时，拍频f2-f1按照公式(3)增加以减少如图1B所示的信号周期tB。
另一方面，当激光器设备逆时针转动时，拍频按照公式(4)减少以增加如图1C所示的信号周期tC。
然后，通过将激光器设备保持静止时激光器设备电信号的周期(或拍频)与激光器设备转动时激光器设备电信号的周期(或拍频)相比较确定两个周期之间差的绝对值，可确定被观察物体的角速度，同时通过比较两个周期以确定那一个更大可检测物体转动的方向。
根据本发明的陀螺仪根据上述原理工作。
实施例1
在根据本发明陀螺仪的第一实施例中，该陀螺仪包括一个激光器设备，该激光器被驱动以产生分别顺时针和逆时针传播的第一和第二激光束，当激光器设备保持静止时第一和第二波束的频率不同和从中提取所产生的电信号。
第一和第二激光束(CW波束和CCW波束)可以通过在激光器设备光波导的至少一部分上形成的不对称锥形区的激光器设备产生。
具体地说，参照图2，不对称锥形区1200设置在实施例的光波导1201中。在图2中，参考数字1202表示CW波束和参考数字1203表示CCW波束，而参考数字1204表示一个镜面(更准确地说是其反射表面)。通过以此方式形成不对称锥形区，在CW波束和CCW波束强度之间产生差别。换句话说，在公式(8)的光子数和公式(9)的光子数之间产生差。然后，如上所述，CW波束与CCW波束的振荡频率之间呈现出差别。注意，锥形区可以具有任何形状，只要是不对称的且当激光器设备保持静止时两个振荡频率呈现出差别即可。可是，锥形区应当以使两个振荡频率的差不小于100Hz的方式设计，从避免锁定现象考虑，最好不小于1kHz，不小于10kHz更好。如果利用其它装置能够防止锁定现象，两个振荡频率之间的差不限于上述范围。
另一方面，当CW波束与CCW波束之间光线强度上的差别太大时，两个波束只在很小程度上干涉并不引起任何脉动信号。因此，应当这样设置锥形区，当两个波束中较强光线的强度设置为1时，较弱光线的强度不少于较强光线的30％，最好不少于50％，不少于80％更好。希望通过控制为驱动激光器而注入的电流使两个波束之间光线强度的差保持在上述范围内。
另外，不对称锥形区希望包括沿激光束传播方向使光波导逐渐变宽的第一锥形部分，和沿激光束传播方向使光波导逐渐变窄的第二锥形部分，且第一部分和第二部分的形状关于垂直于激光束传播方向的平面是不对称的。
另外，锥形区可以包括两个或更多锥形子区。
尽管图2的光波导具有矩形形状，它可以另外具有一些其它多边形形状例如三角形或五边形形状。它还可以另外具有圆形形状。
如果光波导具有三角形形状，它可以用图3所示的方式成锥形。如果光波导是圆形形状，另一方面它可以以图4所示方式成锥形。
参照图3和4，参考数字1300和1400分别表示光波导的锥形区，参考数字1301和1401分别表示光波导，而参考数字1302和1402分别表示CW波束，参考数字1303和1403分别表示CCW波束。在图3和4中，参考数字1304和1404分别表示反射面。
为本发明的目的，激光器设备可以是气体激光器或半导体激光器。
从减少驱动激光器设备所需要功率方面考虑，希望激光器设备具有如图5所示的环状形状。注意图5是激光器设备的平面示意图。在图5中，参考数字1501表示光波导和参考数字1500表示锥形区，而参考数字1502和1503分别表示CW波束和CCW波束。注意激光器设备可以具有如图5所示的矩形形状或如图6所示的三角形形状。另外，它也可以具有如图7所示的圆形形状。参照图5到7，尽管锥形区(1500，1600或1700)最好设计在光波导的外部，特别是当作为从锥形区泄露出的光线在环行激光器内部传播的激光束的光耦合的结果出现锁定现象时，锥形区(1500，1600或1700)可以配置在光波导的内部或外部。
参照图5，锥形区的角α和β最好不等于90度(α，β≠90°)，因为两个激光束之一可呈现出极低的光强度。
如果α，β＝90°，波导模式在锥形区的起始点(在该点上角度等于90度)逐渐改变使得与具有恒定宽度的光波导区的对应波导模式的耦合效率太低。如果，另一方面，α，β≠90°，模式逐渐改变有可能制止耦合效率下降。
如果锥形区1800相对于连接第一锥形部分1893起始点1891和第二锥形部分1894起始点1892连线的角度分别是图8中所示的α和β，光波导锥形区1800必须具有不对称形状以便如上所述使CW波束和CCW波束的振荡频率有差别。最好，α和β都大于0度并小于180度。另外，由第一和第二锥形区和呈现恒定宽度的光波导分别限定的角度最好是锐角(小于90度)。
图8是根据本发明陀螺仪的激光器设备锥形区形状的示意图，适合于使CW波束和CCW波束的振荡频率有差别。可是，应当注意，第一和第二锥形区起始点1891，1892的位置不限于图8所示的位置。另外，环行激光器1801可以具有非矩形的其它形状例如六角形，三角形或圆形。激光器设备的环形形状在下面将更详细地描述。
对于从激光器设备提取的电信号，当通过恒定电流驱动时可以是电压信号，或当通过恒定电压驱动时可以是电流信号。另外，也可以是激光器设备产生的阻抗信号。
注意，可以作为电压信号、电流信号或阻抗信号的提取电信号的频率对应于上述拍频。因此，有可能通过检测频率改变来检测激光器设备转动的角速度和方向。
现在，下文将讨论用于以电信号形式检测激光器设备电压改变的一种可能的装置。
参照图9，恒流源1902通过电阻1901被引入并连接到半导体激光器1900。然后，由半导体激光器1900产生的电信号被通过电压检测电路1906读取。注意，电信号在此例子中是电压信号。还注意，当需要时，提供作为保护电路的电压跟随器电路1905，如图9所示。尽管图9的激光器设备是上面描述中的半导体激光器，为本发明的目的也可以另外使用气体激光器。
图10是装置的示意电路图，其中激光器设备由恒定电流驱动和读取半导体激光器2000阳极电位的改变以检测陀螺仪的转动。
参照图10，半导体激光器2000的阳极通过保护电阻2003连接到运算放大器2010输出端上，半导体激光器2000的阴极连接到运算放大器2010的反相输入端。
另一个运算放大器2011输出信号Vout，该信号对应来自微计算机的输入电位Vin。由于信号Vout表示与角速度成正比的拍频，能够通过已知的频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)将该信号转换为一个电压来检测激光器设备的转动。
图11是频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)的电路示意图。该电路包括晶体管，二极管，电容和电阻和其输出电压由下面的公式(10)表示；
VC2＝EiC1R0f/[1+1/{1-exp(-1/R0C2f)}]......(10)
其中Ei表示输入电压的峰-峰(peak to peak)值和f表示拍频。通过选择这些值实现C2＞C1和R0C2f＜1的电路参数，可建立由下面的公式(11)所表示的关系以获得与拍频成正比的电压输出。
VC2＝EiC1R0f/2......(11)
现在，将在下面讨论用于通过电流中的变化检测激光器设备转动的设计。
利用一个恒压源作为电源，通过检测流过半导体激光器电流的改变能够检测转动的激光器设备的角速度。通过利用图12和13所示的作为恒压源的电池获得用于激光器设备的紧凑和重量轻的驱动系统。在图12的电路中，半导体激光器2200与电阻2201串联以便流过该半导体激光器的电流的改变能够随电阻两端之间的电压变化而被确定。在图12中，参考数字2202表示电池，参考数字2206表示电压表。在图13的电路中，另一方面，该半导体激光器2300与电流表2306串联以直接观察流过半导体激光器的电流。在图13中，参考数字2301表示电阻。
现在，下面将讨论能够用于为本发明的目的检测脉动信号的另一个电路。
图14的电路图是用于通过使用恒定电压以便驱动它并读取半导体激光器2400阳极电位上的改变来检测半导体激光器2400转动的电路的电路图。
激光器2400的阳极通过电阻2403连接到运算放大器2410的输出端和激光器2400的阴极接地以给出基准电位。
通过借助例如微计算机将恒定电位(Vin)施加到运算放大器2410反相输入端能够获得恒定电压驱动装置，以便该电位可以连续地施加到电阻2403和激光器2400。
该电阻2403连接到另一个运算放大器2411作为缓冲器。
该运算放大器2411输出信号Vout，该信号具有与角速度成正比的拍频以便能够依靠已知的频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)通过将频率改变为电压来检测激光器设备的转动。可以不需要说明的是有可能通过把在电位等于电阻2403的电位的点所获得的信号直接施加到F/V转换电路的来检测激光器设备的转动。可以使用频率计数器电路作为脉动信号检测电路。
图15表示除上述恒定电压驱动装置之外利用减法电路2515适合于使用接地电位作为信号的基准电位的电路的电路图。
参照图15，借助例如微计算机将恒定电压V1施加到运算放大器2510的反相输入端。在图15中，参考数字2500表示激光器设备，参考数字2511和2512分别表示电压跟随器，而参考数字2503和2516到2519分别表示电阻。该电阻2516到2517表示公共电阻，而电阻2518到2519也表示公共电阻。
通过电压跟随器2511，2512和电阻2516和2518，电阻2503两端上的电位V1和V2分别施加到运算放大器2520的反相输入端和非反相输入端。利用该配置，利用接地电位作为基准电位，施加到电阻2503的电压V1-V2(＝V0)的变化能够被检测出以检测流过激光器设备2500的电流。
然后，在使该电流流过F/V转换器电路后，激光器设备的转动能够从所获得的信号中检测到。
也有可能直接通过图16所示的阻抗表2609观察半导体激光器2600阻抗的变化，而与电源的类型无关。在图16中，参考数字2602表示电源。利用该配置，驱动电源噪声的影响被减少，而不象观察施加到端电压或流过激光器设备的电流的情况。
尽管按照半导体激光器如上描述了用于检测激光器设备转动的各种设计，应认识到上面的描述等样应用于气体激光器。
实施例2
根据本发明第二实施例的陀螺仪包括一个激光器设备和一个光检测器，该光检测器用于检测从激光器设备发射出并相互干涉的CW波束和CCW波束，两个波束的振荡频率彼此不相等。
第二实施例与上述第一实施例的区别在于，光检测器安排在激光器设备外部和依靠光检测器电信号的变化来检测激光器设备的转动。
现在，参照图17详细描述第二实施例。
在图17中，参考数字2702和2703分别表示CW波束和CCW波束，参考数字2701表示光波导，而参考数字2700表示不对称锥形区和参考数字2704和2714分别表示反射镜。参考数字2730表示光检测器，参考数字2712表示发射到外部并最终通过反射镜2414进入到光检测器2730的CW波束，而参考数字2713表示发射到外部并最终通过反射镜2414进入到光检测器2730的CCW波束。
该光检测器检测电信号的变化以检测所观察物体的转动。
为本发明的目的，光检测器是适合于将光强度转换为电信号并检测电信号的装置，该装置可以是一个利用光电子(一种外部光电效应)发射的光电管或一个光电倍增管。另外，可以是从各种利用内部光电效应中所选择的装置，例如利用光电效应的光敏电池，光电二极管，光敏晶体管，雪崩光电二极管或利用光致电压效应的光电压电池。另外，还可以是利用吸收光线的热检测器的热耦检测器，辐射热测量计，红外线指示器或利用热电效应的光检测器。
还注意到，根据本发明的激光器设备可以是半导体激光器或气体激光器。
上面描述了本发明的两个优选实施例。现在，将详细讨论能够有利地应用于本发明目的的环状激光器设备。
图18是图5的半导体激光器沿X-X′线的剖面示意图。在图18中，参考激字2800表示半导体激光器，参考数字2801，2802和2803分别表示激活层，衬底和阳极，而参考数字2804，2806和2807分别表示阴极，上覆盖层和下覆盖层。
利用除去上覆盖层2806的中心部分2809(以产生环状形状)的设计。电流很难流过半导体激光器的中心部分。因此，原则上，只有圆周传播的波束能够获得增益以抑制任何无用电流。然后，当实现单一横向模式时，拍频特别稳定。
尽管在图18中不仅特别地没有表示光导层也没有表示顶层，如果除去了上覆盖层2806的中心部分就可以安排这些层。
图19表示使用这些层的设计。更具体地，在图19中，参考数字2921表示顶层，参考数字2922和2923表示光导层。另一方面，也表示出了激活层2901和阴极2904。
也有可能提供环状电极而不修改上覆盖层2906和顶层2921。尽管阳极2903设置在图19中激光器设备的整个表面上，将阳极设置在激光器设备的整个表面上并不是必须的。
另外，激活层2801是如图20中所见的部分或整个环状和下覆盖层2807也可以是部分环状如图21中所示。应理解当激活层是部分环状时，因为激活层体积显著减少能够有效地减少阈值电流。
为本发明的目的，环状在激光束分布的区域内是有利的(在图21中由ι表示)。这样，激活层是环状是有利的。
如果激活层具有0.1μm的厚度，在图21中的l最好大约是1μm。
具体地，当激光器设备在垂直于激活层表面方向的渗入光线范围内为环状时，激光器设备针对激活层的光密闭系数将足够大以允许低驱动电流和稳定振荡频率。无需说明，整个半导体激光器可以具有环形形状。
尽管渗入光线范围l出现在图21的覆盖层2806、2807中，光线可以根据包括折射率和每个覆盖层厚度在内的参数渗出到覆盖层外。如果出现这种情况，对应渗入光线范围l的激光器设备部分最好是圆柱形。另外，如果光线渗出进入到位于激活层与覆盖层之间的光导层中和也进入衬底2802中，光导层部分和对应渗入光线范围的衬底最好是圆柱形。
希望在低折射率层2806、2807中的光线损耗最小。具体地，当激光器设备以低电流或低电压驱动时光线损耗将减少。
图23是图22激光器设备截面部分2850的放大示意图。当该设备以低电功率驱动时，激光器设备被处理成在低折射率层各自侧面与激活层(图23)之间的角θ1和θ2分别限制在75°≤θ1和θ2≤105°，优选80°≤θ1和θ2≤100°，更优选85°≤θ1和θ2≤95°。
当上述要求满足时，能够有效地避免渗入低折射率层2806、2807中光线的任何损耗，以使利用低电流(或低电压)驱动半导体激光器成为可能。
另外并希望，半导体激光器侧表面是全反射表面并且全反射表面多于90％的相对区域与激活层区域之间的角度由上述公式限定。
也希望对于其整个圆周利用激活层的对应侧表面使低折射率层的侧表面满足上述要求。特别地，非常希望激光器设备内部策表面也满足对于角θ1和θ2的上述要求。
夹住激活层2801的低折射率层侧表面的表面精度(表面粗糙度)最好小于穿过激活层发射介质透射光线波长(＝光线波长在真空中/介质的有效折射率)的一半，少于三分之一更好。例如，如果激活层是InP类型层(具有1.55μm的波长和在介质中有效折射率3.6)，该表面精度最好少于大约0.22μm，少于0.14μm更好。
如果激活层是GaAs类型层(具有0.85μm的波长和等效折射率3.6)，该表面精度最好少于大约0.12μm，少于0.08μm更好。
不用说，不仅低折射率层侧表面而且激活层的表面可以在表面精度上呈现上述相同值。
激光器设备的环状部分可以用绝缘材料填充(电介质薄膜)，尽管可能不需要该绝缘材料，在没有该填充材料激光器设备呈现所需要特性时也不必向该设备的中空部分填充材料。
如果呈现出的具体电阻高于覆盖层的电阻，可以使用任何适当的材料作为介电薄膜，尽管最好由非晶硅、SiO2，MgO或SiN制成。可以通过填充材料在激光器设备圆柱部分内部形成全反射表面。另外，该设备中空部分可以最好用图24所示的单一材料或用两种或多过两种的材料填充。另外，在激活层的内部侧表面或外部侧表面的至少一个上如图25所示镀一层薄膜2931。如果是这种情况，能够防止由暴露在周围空气中引起的设备特性衰退而节省了填充该设备中空部分的材料。尽管在图25中镀膜为单层，它也可以另外具有两层或更多层。
当电介质薄膜制造得具有多层结构时，最好可以包括大量成对的SiO2和Si层。当该设备不需要这些填充工作而提供所需要的工作特性时，该设备的中空部分不必完全填充。
可用于本发明的其它可能的填充方案将在下面简要讨论。
在图26中，参考数字2930表示绝缘膜。图26的设计中可以最好用于本发明的目的，因为任何电流很难流过半导体激光器的中心部分并因此即使省反应电流的话也将减少，以便于产生单一横向模式，在该设计中绝缘膜2930设置在阳极的中心区之下。当需要提供具有平板形状的电极时这种设计特别有效。
当上覆盖层2906是P型时，通过用呈现PNP型导电性的材料取代使用绝缘膜2930填充激光器设备的中心部分，使该激光器设备中心部分呈现出PNPN闸流晶体管结构并很难允许任何电流流过。
参照图27，参考数字2840在此表示Fe掺杂高电阻层。利用使用该电阻层的设计，也可能使半导体激光器中心部分很难允许电流流过。
在基本上中心处定位激活层的中空部分2809(如图2所示)满足了根据本发明的半导体激光器。不存在被引导模式的状态称为截止状态，和希望该设备设计得满足更高模式截止状态的要求以便稳定横向模式。另外，希望中空部分的直径d(图18)被限定以便满足更高模式截止状态的要求。
然后，当满足更高模式截止状态的要求时，对于横向模式中只存在基本模式以稳定后者。
也希望限定中空部分的形状以便满足更高模式截止状态的要求，以至只可以存在单一引导模式(单一横向模式)。
可以通过对激活层、光导层和覆盖层敷设环状半导体层来制造具有中空部分的激光器设备，对它们一般使用掩膜。另外，可以通过敷设激活层、光导层和覆盖层并切割它们的中心部分来制造具有中空部分的激光器设备以使它们呈现环状形状。
可以用于本发明目的以形成中空部分的蚀刻技术包括湿蚀刻，气体蚀刻，等离子蚀刻，溅射蚀刻，活性离子蚀刻(RIE)和活性离子束蚀刻(RIBE)。
能够用于根据本发明的激光器设备激活层的材料尤其包括GaAs，InP，ZnSe，AlGaAs，InGaAsP，InGaAlP，InGaAsP，GaAsP，InGaAsSb，AlGaAsSb，InAsSbp，PbSnTe，GaN，GaAlN，InGaN，InAlGaN，GaInP，GaInAs和SiGe。
任何能够用于激活层的材料也可以用于覆盖层。
能够用于本发明目的的激活层和覆盖层的材料组合包括PbSnTe(激活层)/PbSeTe(覆盖层)，PbSnSeTe(激活层)/PbSeTe(覆盖层)，PbEuSeTe(激活层)/PbEuSeTe(覆盖层)，PbEuSeTe(激活层)/PbTe(覆盖层)，InGaAsSb(激活层)/GaSb(覆盖层)，AIInAsSb(激活层)/GaSb(覆盖层)，InGaAsP(激活层)/InP(覆盖层)，AlGaAs(激活层)/AlGaAs(覆盖层)和AlGaInP(激活层)/AlGaInP(覆盖层)。
关于半导体激光器的结构，其激活层不限于整体结构并可以是另外的单一量子阱结构(SQW)或多个量子阱(MQW)结构。
当使用量子阱结构激光器设备时，最好该结构是变形的量子阱结构。例如，可以通过使用八个压缩变形大约1％的InGaAsP量子阱层和一个InGaAsP势垒层形成激活层。也也可能使激活层呈现MIS结构。
关于衬底，适合于在上面生长所需要材料衬底可以被使用。能够用于本发明目的的衬底包括化合物衬底例如GaAs衬底，InP衬底，GaSb衬底，InAs衬底，PbTe衬底，GaN衬底，ZnSe衬底和ZnS衬底，还有SiC衬底，4H-SiC衬底，6H-SiC衬底，蓝宝石衬底，硅衬底和SOI衬底。
能够用于形成根据本发明的半导体激光器激活层的技术包括液相外延(LPE技术)，分子束外延(MBE技术)，有机金属汽相生长(MOCVD技术，MOVPE技术)，原子层外延生长(ALE技术)，有机金属分子束外延(MOMBE技术)和化学束外延(CBE技术)。
能够用于根据本发明激光器设备阳极的材料包括Cr/Au，Ti/Pt/Au和AuZn/Ti/Pt/Au。能够用于根据本发明激光器设备阴极的材料包括AuGe/Ni/Au和AuSn/Mo/Au。然而，本发明不限于此。
注意，电极的设计可以根据衬底和激活层导电性与所说明的设计相反。
顶层(接触层)最好也形成在覆盖层上和然后电极材料被设置在顶层上以便减少覆盖层和电极的接触电阻。
材料的典型组合可以是InGaAsP(激活层)/P型InP(覆盖层)/P型InGaAsP(顶层)/电极。
还注意，尽管图中阴极设置在衬底下，阴极也可以根据衬底的类型另外设置在衬底上。
为防止半导体激光器发热，最好将半导体芯片设置在散热元件上(散热片)。能够用于本发明目的的散热片非限制性地包括Cu，Si，SiC，AlN和钻石。如果需要，可以使用Peltier装置用于控制半导体激光器的温度。
最好也在半导体激光器的每个侧表面上形成绝缘膜(镀膜)，以便产生全反射表面并防止衰退。能够用于镀膜的材料包括例如SiO2，SiN，Al2O3和Si3N4和非晶体硅(α-Si)。
最好也利用高电阻材料代替环状激光器设备的中空部分，以便实现实用的环状光波导。
图28表示具有这样设计的激光器设备的截面示意图。
参照图28，该激光器设备包括激活层2801，衬底2802，阳极2803，阴极2804，上覆盖层2806，下覆盖层2807和由离子注入产生的高电阻区2859。利用此设计，任何电流很难流过该设备的中心部分，以便主要只有环形传播的光束能够获得增益。
尽管图28中的高电阻区2859具有明显的边界线，实际上它们具有一定的宽度。离子注入操作需要以这样的方式进行，即所发射离子的轨迹主要只在激活层出现。
尽管在参照图28所做的上述描述中使上覆盖层的至少一部分具有高电阻，激活层2801和/或下覆盖层2807也可以制造成高电阻，如果中心部分不允许任何电流流过。这样，半导体激光器的所有中心部分可以制造成高电阻。
因此，应理解，如果激活层中心区制造成高电阻，激活层的体积基本上被减少以此又减少驱动该设备所必须的驱动电流。
有可能以这样的方式注入离子，即它们的发射轨迹主要在激活层深度附近出现，以便该设备可以主要在该深度被制造成高电阻。
尽管阳极2803在图28中被设置在半导体激光器周围，它也可以另外设置在激光器设备整个上表面上。另外，它还可以设置在激光器设备上表面的一部分上。
在任何适当的时候，都可以提供光导层和/或顶层。
在此使用的措辞“高电阻”是指离子注入并呈现100Ω·cm和105Ω·cm之间的特定电阻，最好在5×103Ω·cm和1×105Ω·cm之间，尽管该值可以根据激活层的类型而改变。
注入的离子可以是质子或硼离子。
也希望离子注入操作以这样的方式进行，即注入离子的发射轨迹主要出现在激活层中心。为加速离子所施加的电压最好在10KeV和1MeV之间，尽管必须考虑到激活层上的覆盖层和光导层的材料和厚度。
离子可以用1×1013cm-2和1×1015cm-2之间的速度注入。
在离子注入操作期间衬底可以保持室温。
对半导体激光器中心区的离子注入面积不必严格限制，如果满足了截止状态的要求对于离子注入大致面积出现在该设备中心就足够了。
离子注入区的直径d也被限定以便满足更高模式截止状态的要求。
离子注入区不必是环状，和它也可以呈现适合于满足更高模式截止状态要求的形状并只允许一个单一波导模式(单一横向模式)存在。
也希望热处理激光器设备以修复离子注入产生的损坏。这样的热处理操作是在200℃到500℃之间的温度下进行的，最好在300℃到400℃之间进行。热处理操作可以在含氢空气中进行。
尽管上述离子注入操作使该设备中具有高电阻区，高电阻区可以另外通过选择性地氧化该区域来产生。
上面描述了本发明的优选实施例。应注意到根据本发明的陀螺仪可以是一种仪器，利用它能够检测物体转动的角速度和方向，或可以是一种仪器，利用它只能够检测物体的角速度或方向。
(实例1)
图30和31是本发明第一例子的示意图，最清晰地表示了其特性。参照图30，此例子的激光器设备是环型谐振腔型的半导体激光器4001，该激光器包括其光波导的不对称锥形区4000。参照图31，也表示了该例子的激光器设备，它另外包括阳极4103，电端子4124，顶层4121，覆盖层4106，光导层4122，激活层4101，另一光导层4123，半导体衬底4102和阴极4104。参考数字4003表示逆时针环型传播的激光束，参考数字4002表示顺时针传播的激光束。注意图31是图30的激光器设备沿图30中的线X-X′的截面示意图。
首先，将描述制造具有上述结构的环型谐振腔型半导体激光器的方法。通过有机金属汽相生长技术在n-InP衬底4102(350μm厚度)上生长出具有1.3μm组分(0.15μm厚度)的非掺杂InGaAsP光导层4123、具有1.55μm组分(0.1μm厚度)的非掺杂InGaAsP激活层4101、具有1.3μm组分(0.15μm厚度)的另一个非掺杂InGaAsP光导层4122、具有1.4μm组分(0.3μm厚度)的一个P-InP覆盖层4106和一个P-InGaAsP顶层4121用于环状谐振腔型半导体激光器4150。在晶体生长过程后，光刻胶AZ-1350(商品名，可从Hoechs得到)通过旋转涂胶器被使用在P-InGaAsP顶层上，以获得厚度为1μm的薄膜。在以80℃温度对晶片预烘干30分钟后，用掩膜覆盖其上曝光。光波导呈现5μm的宽度，然而在显影和冲洗处理后其在锥形区4000中呈现最大宽度为8μm和最小宽度为5μm。该环状光波导具有600μm的长度。随后，该晶片进入活性离子蚀刻系统中并通过氯气进行蚀刻以呈现宽度为3μm的中空部分。最后，Cr/Au通过汽相沉积法被沉积在P-InGaAsP顶层4121上以便在此产生一个阳极，同时AuGe/Ni/Au也通过汽相沉积法被沉积在n-InP衬底上以便在此产生一个阴极4104。而后，晶片在含氢气体中被热处理以产生电阻性触点。在图31中，参考数字4124表示一个电端子用于提取脉动信号。
入射到具有上述结构的环状谐振腔型半导体激光器中的光被它的表面或激光器与空气的界面反射，因为半导体与空气的折射率不同。如果半导体的折射率是3.5，当界面的法线与激光束之间的夹角等于或大于16.6°时会出现全反射。由于用于接受全反射的振荡模式因减少了反射损耗而呈现出比任何其它模式更小的振荡阈值，激光器设备利用低注入电流电平开始振荡。另外由于增益集中地出现在振荡模式中，任伺其它模式的振荡将被抑制。在图30中，半导体激光器的界面法线与空气之间的夹角在半导体激光器的任何角落上是45°和因此满足了全反射的要求。在室温下的振荡阈值对于激光束4003是3mA和对于激光束4002是3.5mA。
关于锥形区的形状，在图8中的两个角α和β最好少于90度，以便在任何方向上传播的激光束的反射损耗不会太大，尽管当满足所需要的特定要求时上述限制可以取消。
图32是表示在室温下该例子中的环状谐振腔型半导体激光器电流与光学输出之间关系的图。如果环状谐振腔型半导体激光器4150没有锥形区，它的驱动电流是4.5mA，和当该激光器保持静止时，激光束4003和激光束4002呈现公共振荡波长λ，该波长等于1.55μm。可是，由于在具有如图30所示的锥形区的半导体激光器中对激光束4003振荡的阈值低于对激光束4002振荡的阈值，激光束4003的强度大于激光束4002的强度，如图32所见。
换句话说，较早描述的公式(8)和(9)限定的光子数量密度在激光束4003和激光束4002之间不同。
因此，激光束4003的振荡频率不同于激光束4002的振荡频率。激光束4003的振荡频率f3大于激光束4002的振荡频率f41kHz。然后，在环状谐振腔型半导体激光器中激光束4003与激光束4002相互干涉。如果使用恒流源，通过监测电极端子4124与阴极4104之间的电压能够获得具有100mV幅度和1kHz频率的一个信号。换句话说，即使环状谐振腔型半导体激光器保持静止也能够检测到脉动电压。
如果驱动该环状谐振腔型半导体激光器以每秒30度的速度作顺时针转动，该转动大致对应于摄象机被晃动时的摆动速度或运动中汽车的速度，逆时针传播的激光束4003的振荡频率f3升高88.7Hz，同时，另一方面，顺时针传播的激光束4002的振荡频率f4减少88.7Hz。然后，由下面的公式(12)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz+177.4Hz......(12)
在此情况下，另一方面，驱动该环状谐振腔型半导体激光器以每秒30度的速度作逆时针转动，由下面的公式(13)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz-177.4Hz......(13)
由于拍频增加或减少的绝对值与转动速度成正比，现在也可能不仅检测半导体激光器的转动速度，而且检测转动方向，因为拍频的增加或减少相对于方向或转动呈现出一一对应的关系。
图33是通过上述激光器设备检测脉动信号的设计的示意图。参照图33，示出了陀螺仪4300，转动台4350，电流源4302，电阻4301和频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)4360。
利用上述设计，通过串联连接的电阻4301从电流源4302将电流注入到陀螺仪4300中。如果陀螺仪4300保持静止，代表两个激光束振荡频率(振荡波长)之间差的脉动信号能够作为端子电压变化而获得。如果驱动固定在转动台4350上的陀螺仪4300转动，所获得的脉动信号代表陀螺仪的转动角速度。
通过使脉动信号流过频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)4360，该拍频能够被转换为一个电压值。
如果当陀螺仪4300通过校准偏移而保持静止使频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)4360的输出电压等于零，通过观察频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)4360的输出是正还是负就能够检测陀螺仪的转动方向。
图11是频率/电压转换器电路(F/V转换器电路)的电路示意图。该电路包括一个晶体管，二极管，电容和电阻和由下面的公式(10)表示其输出电压VC2。
VC2＝EiC1R0f/[1+1/{1-exp(-1/R0C2f)}]......(10)其中Ei代表输入电压的峰-峰值，f代表拍频。通过为电路参数选择值实现C2＞C1和R0C2f＜1，能够建立由下面公式(11)所表示的关系以获得与拍频成正比的电压输出。
VC2＝EiC1R0f/2  ......(11)
尽管在该例子中通过用恒定电流驱动陀螺仪观察到端子电压的改变，如果用恒定电压驱动陀螺仪也能够观察的流过端子的电流改变。另外，通过阻抗计也可以直接检测放电阻抗的改变。
然后，能够省略用于检测脉动光的光检测器使用，以便因此消除由从光检测器返回的光所引起的光学反馈噪声。
尽管在上述例子中通过使用InGaAsP型材料实现了半导体激光器，也可以用GaAs型，ZnSe型，InGaN型或AlGaN型材料代替它们。另外，光波导的形状可以是六角形，三角形或圆形而非图30中所示的矩形。
现在，参照图34到40描述制造激光器设备的另一个方法。
利用一对夹住激活层的Al0.3Ga0.7As的光导层4422在一个n-GaAs衬底4402上形成具有三层Al0.3Ga0.7As/GaAs多量子阱结构的一个激活层4401，然后又被覆盖层4406(p-Al0.5Ga0.5As)和另一覆盖层4407(n-Al0.5Ga0.5As)。在图34中参考数字4415代表n-GaAs制成的一个阻尼层，参考数字4440代表由p-GaAs制成的一个顶层。
然后，用Cr/Au(或Ti/Pt/Au)在顶层4440上形成阳极4403(图35)。
而后，向此应用光刻胶4460并进行图36中所示的布线操作。
然后，通过使用布线光刻胶4460作为掩膜对阳极4403进行干刻蚀(图37)。
随后，通过干刻蚀(图38)去除半导体层和去除光刻胶(图39)。
然后，在含氢气体中对阳极热处理以使其变成合金。
在抛光衬底后(如果必须)，通过沉积AuGeNi/Au形成阴极4404(图40)。
这样，形成环状谐振腔型半导体激光器4400。图41是制造激光器设备的平面示意图。
图41中的角m是45±0.01°较有利，最好是45±0.001°。此论点时其它角也成立。这是应当满足的要求以便在光谐振腔中转动一整圈后激光束返回各自发源点。
不用说，如果通过某些其它方法形成半导体环状激光器，对m角的要求应当满足。
图42是图41的设备的角4490的放大示意图。在图42中由r表示的表面粗糙度小于500，最好小于200。然后，可使向后散射最小以防止锁定现象发生。
(实例2)
图43是本发明第二例子的示意图。参照图43，该例子的激光器设备包括一个石英管5301，该管包括它的光波导的不对称锥形区5300，镜面5304，阳极5313，电端子5314和阴极5315。参考数字5303表示逆时针环状传播的激光束和参考数字5302表示顺时针环状传播的激光束。
上述激光器设备中，用钻孔将石英块挖空形成石英管5301。而后，在石英管5301上安装反射镜5304。另外，也在石英管5301上安装阳极5313、电端子5314和阴极5315。随后，在石英管中引入氦气和氖气并在阳极与阴极之间施加电压以产生放电并引起电流流过。结果，在石英管5301中振荡出逆时针激光束5303和顺时针激光束5302。
关于锥形区的形状，图8中的角α和β最好小于90度，以便在两个方向上传播的激光束的反射损耗不太大，尽管当满足所需要的特定要求时可以消除上述限制。
如果石英管5301没有锥形区并保持静止，激光束5303和激光束5302呈现相同的4.73×1014Hz振荡频率和相同的632.8nm波长。可是，由于光波导装备了不对称的锥形部分，在半导体激光器中用于激光束5303振荡的振荡阈值低于激光束5302振荡的振荡阈值。结果，激光束5303的强度大于激光束5302的强度。因此，激光束5303的振荡频率f1比激光束5302的振荡频率f1大20MHz。然后，在石英管5301中激光束5302与激光束5302相互干涉。如果使用恒流源，具有100mV幅度和20MHz频率的信号能够通过监测在电极端子5314与阴极5313之间的电压获得。换句话说，即使石英管保持静止也能够检测脉动电压。
如果驱动石英管5301以每秒180度顺时针转动并且石英管5301长10cm，逆时针传播的激光束5303的振荡频率f1升高248.3kHz，而另一方面，顺时针传播的激光束5302的振荡频率f2减少了248.3kHz。然后，通过下面的公式(14)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz......(14)
在此情况下，另一方面，以每秒180度的速度逆时针驱动石英管5301转动，通过下面的公式(15)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz......(15)
由于拍频增加和减少的绝对值与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测方向转动，因为拍频相对于方向转动呈现一一对应关系。
尽管在此例子中利用恒定电流驱动陀螺仪来观察端子电压的改变，如果利用恒定电压驱动陀螺仪也能够观察到流过端子的电流的改变。另外，通过阻抗计能够直接检测放电阻抗的改变。
尽管在此例子中在石英管中引入了氦气和氖气，也可以由能够引起激光器振荡的任何气体替代它们。另外，光波导的形状可以是六角形，三角形或圆形而非图43所示的矩形。
如上所述，尽管在此例子中在石英管中引入了氦气和氖气，也可以由能够引起激光器振荡的任何气体替代它们，和因此能够检测石英管的角速度。例如，氩离子激光器，二氧化碳激光器，或准分子激光器可以另外用于本发明的目的。
尽管上面描述了为制造气体激光器而使用石英管，该石英管也可以由聚合物管所替代。使用聚合物管提供了利用低温制造技术的优点。能够用于本发明目的的聚合物材料包括氟化聚酰亚胺，聚硅氧烷，PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，环氧树脂和聚碳酸酯。
能够用于本发明目的的放电电极的材料包括铝，锆和钨。
(实例3)
在此例子中，通过以上述例子1中所述相同的方法制造具有锥形区的半导体激光器。参照图44和45对此进行描述。
如果环状谐振腔型半导体激光器没有锥形区，其驱动电流是4.5mA，和当该激光器保持静止时，激光束4003和激光束4002呈现相同的等于1.55μm的谐振波长λ。可是，由于在具有如图32所示的锥形区的半导体激光器中谐振腔激光束4003振荡的振荡阈值低于激光束4002振荡的振荡阈值，激光束4003的强度大于激光束4002的强度如图32所见。因此，激光束4003的振荡频率不同于激光束4002的振荡频率。激光束4003的振荡频率f3大于激光束4002的振荡频率f41kHz。然后，当光检测器4030同时接收激光束4013和4012时，在光检测器4030中激光束4003和激光束4002相互干涉。结果，从光检测器4030的电端子能够获得具有50mV幅度和1kHz频率的信号。换句话说，即使环状谐振腔型半导体激光器4150保持静止，也能够检测脉动电压。当到达光检测器4030时为使激光束4013和激光束4012在相同方向上传播，使用反射面4024反射激光束4013。该反射面通过在石英板上以汽相沉积铝来制造，和该光检测器可以从NEC获得。
如果环状谐振腔型半导体激光器以每秒30度的速度顺时针驱动，该速度大致对应摄象机晃动时的摆动或运动的汽车，逆时针传播的激光束4003的振荡频率升高88.7Hz，而另一方面，顺时针传播的激光束4002的振荡频率减少88.7Hz。然后，通过下面公式(12)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz+177.4kHz......(12)
在此情况下，另一方面，环状谐振腔型半导体激光器以每秒30度速度逆时针驱动，通过下面公式(13)能够获得拍频。
f3-f4＝1kHz-177.4kHz......(13)
由于拍频增加和减少的绝对值与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测方向转动，因为拍频的增加或减少相对于方向转动呈现一一对应的关系。
(实例4)
图46是本发明第四例子的示意图。参照图46，此例子的激光器设备包括光检测器4030，包括其光波导的不对称锥形区4000的石英管4150，镜面4004，阳极4613，另一镜面4024和阴极4615。参考数字4003代表逆时针环状传播的激光束和参考数字4002代表顺时针环状传播的激光束。
以参照例子2所描述的上述方法制造该设备。
如果石英管4150没有锥形区并保持静止，激光束4003和激光束4002呈现相同振荡频率4.73×1014Hz和相同波长λ632.8nm。可是，由于光波导装备了不对称锥形区4000，在半导体激光器中激光束4003振荡的振荡阈值低于激光束4002振荡的振荡阈值。结果，激光束4003的强度大于激光束4002的强度。因此，激光束4003的振荡频率f1比激光束4002的振荡频率f2大20MHz。
从工作谐振腔反射面提取部分激光束4013和4012并同时使其进入光检测器4030。当到达光检测器4030时，为使激光束4013和激光束4012在相同方向传播，使用镜面4024反射激光束4013。然后，在石英管5301中激光束4003和激光束4002相互干涉。结果，从光检测器4030能够获得具有100mV幅度和20MHz频率的信号。换句话说，即使石英管保持静止也能够检测脉动电压。
如果驱动石英管4150以每秒180度速度顺时针转动和该谐振腔的长度是10cm，逆时针传播的激光束4003的振荡频率f1升高248.3kHz，而另一方面，顺时针传播的激光束4002的振荡频率f2减少88.7Hz。然后，由下面的公式(14)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz+496.6kHz......(14)
在此情况下，另一方面，驱动石英管4150以每秒180度速度逆时针转动，由下面的公式(15)能够获得拍频。
f1-f2＝20MHz-496.6kHz......(15)
由于拍频增加和减少的绝对值与转动速度成正比，现在有可能不仅检测半导体激光器的转动速度而且检测方向转动，因为拍频的增加或减少相对于方向转动呈现一一对应的关系。
(实例5)
具有如图47所示设计的环状谐振腔型半导体激光器在此例子中是通过参照例子1的上述方法制造。
下面将详细描述图47中的锥形区5800。
参照图7，锥形区的角α＝60°和β＝3°。三角形环的所有内角(5851到5853)相同并等于60°。三角形环具有三个侧面5850，该侧面在长度上相同并等于320μm。在图47中，虚线是假想线用于清楚地表示锥形区。
该设备的激光器振荡阈值是大约5mA。
利用30mA的电流驱动该激光器设备工作。当该激光器设备保持静止时所获得的电压信号呈现182kHz的频率。
然后，该激光器设备以每秒180度的速度进行顺时针转动和然后逆时针转动。
当驱动该设备顺时针转动时，电压信号的频率上升到209kHz。另一方面，当驱动该设备逆时针转动时，电压信号的频率减少到161kHz。
这样，作为提供锥形区的结果有可能检测该设备的转动。
激光器设备锥形区的形状决不限于图47的形状。可以另外使用如图48所示锥形区。另外，光波导的形状可以是等腰三角形的形状，矩形或圆形而非如图47所示的等边三角形。
如上面详细说明，根据本发明，现在可以不仅检测角速度，而且地可检测转动物体的转动方向。

Claims (35)

1.一种陀螺仪，包括：
激光器设备，用于产生在相反方向环状传播的激光束；以及
信号检测装置，用于检测从所述激光器设备中输出的电信号或光信号；
其中，当所述激光器设备保持静止时所述激光束的振荡频率相互不同，且
所述激光器设备的波导包括不对称锥形区。
2.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束包括顺时针传播的第一激光束和逆时针传播的第二激光束。
3.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有互不相同的振荡阈值。
4.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有互不相同的强度。
5.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有互不相同的振荡波长。
6.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有彼此差异不少于100Hz的振荡频率。
7.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有彼此差异不少于1kHz的振荡频率。
8.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光束具有彼此差异不少于10kHz的振荡频率。
9.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备是环状谐振腔型激光器设备。
10.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备的波导具有环型形状。
11.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备的波导具有环型形状并包括设置在环型形状之外的不对称锥形区。
12.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备的波导具有环型形状并包括设置在环型形状之内的不对称锥形区。
13.根据权利要求1，11或12的陀螺仪，其中所述锥形区包括第一锥形部分，光波导在该第一锥形部分沿激光束传播方向逐渐展宽；以及第二锥形部分，光波导在该第二锥形部分沿激光束传播方向逐渐变窄。
14.根据权利要求13的陀螺仪，其中所述第一锥形部分和所述第二锥形部分两者都与具有恒定宽度的光波导区形成锐角。
15.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备是半导体激光器。
16.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备具有量子阱结构。
17.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备是气体激光器。
18.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备具有沿波导侧表面的全反射平面。
19.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备利用恒定电流驱动。
20.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述激光器设备利用恒定电压驱动。
21.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述电信号随所述激光器设备的转动改变。
22.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述电信号是电压信号。
23.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述电信号是施加到所述激光器设备的电压信号、流过所述激光器设备的电流信号或所述激光器设备的阻抗信号。
24.根据权利要求1的陀螺仪，其中检测作为所述电信号变化函数的脉动信号。
25.根据权利要求1的陀螺仪，其中通过检测所述电信号频率中的变化来检测角速度和转动方向。
26.根据权利要求1的陀螺仪，其中激光器设备装备了用于提取所述电信号的电端子。
27.根据权利要求1的陀螺仪，其中通过设置在所述激光器设备之外的光检测器获得所述电信号。
28.根据权利要求1的陀螺仪，其中提取所述电信号以检测角速度和转动方向。
29.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述陀螺仪是光学陀螺仪。
30.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述陀螺仪能够检测转动方向。
31.根据权利要求1的陀螺仪，进一步包括频率/电压转换器电路。
32.根据权利要求1的陀螺仪，进一步包括保护电路。
33.根据权利要求1的陀螺仪，其中：
所述锥形区包括第一锥形区，光波导在该第一锥形区沿激光束传播方向逐渐展宽；以及第二锥形区，光波导在该第二锥形区沿激光束传播方向逐渐变窄；且
由所述第一和第二锥形区与呈现恒定宽度的光波导区分别形成的角是锐角。
34.根据权利要求33的陀螺仪，其中该光波导具有环型形状。
35.根据权利要求33的陀螺仪，其中所述激光器设备作为环型谐振腔工作。
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