CN1374504A - 半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪及其电光调制方法 - Google Patents
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Abstract
半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪及其电光调制方法,涉及一种半导体泵浦固体激光陀螺仪的结构设计。它主要由环形腔反射镜组,增益介质,泵浦装置,电光晶体,分束板,光学延时器以及读出电路组成,其特点是泵浦装置采用侧面泵浦,所述的侧面泵浦由聚焦耦合透镜,半导体激光器阵列以及半导体激光器温控装置组成。本发明能较好地克服热应力问题,同时环形腔为三角形腔,没有负面积,其结构和气体激光陀螺仪相似,可充分利用其现成工艺。电光抖动采用两块同等参数的电光晶体,使用相位差180°的正弦波信号分别进行调制,能显著地减少陀螺仪锁区。具有体积小、工作稳定和长寿命等优点,能广泛地应用在惯性导航,惯性制导和惯性测量等惯性技术中。
Description
技术领域
本发明属于半导体泵浦固体激光技术和传感器技术领域，特别涉及一种半导体泵浦固体激光陀螺仪的结构设计。
背景技术
陀螺仪作为惯性测量器件，是惯性导航及制导技术的核心。近十多年来，随着光电技术的发展，光学陀螺已成为传统机械陀螺、机电陀螺强有力的竞争对手，激光陀螺更以其自身的诸多特点而得到航天、航空、航海及地面战车等武器设备的广泛应用。激光陀螺成为重要发展方向之一。
从原理上分，光学陀螺可以分为两大类：谐振型和干涉型。前者的代表是以He-Ne气体环形激光器为核心的激光陀螺，它亦是目前广泛应用的导航级光学陀螺。后者的代表是由多圈光纤构成的光纤干涉仪为核心的光纤陀螺(章燕申等.激光陀螺技术报告与论文集，清华大学精仪系，1999年10月)。气体激光陀螺仪尽管是目前光学陀螺中精度最高的，但有着其固有的缺点：①气体激光陀螺的增益介质为He-Ne混合气体，为保证其气体组分、浓度的恒定，需经常换、充气体，所以对腔的密封性要求很高；②增益为混和气体，为保证振荡条件，必须保证气体增益有一定的极限光程，即腔难于小型化，同时气体放电需要高压；③He-Ne气体激光陀螺的工作激光波长较短(633nm)，因此对构成其环形谐振腔反射镜的镀膜工艺要求很高，从而使其成本大大增加；④为消除固有的闭锁，气体激光陀螺引入了产生机械抖动的附加部件，不仅增加了陀螺系统的复杂性，同时还给系统带来了额外的噪声；⑤总效率很低，小于＜0.01％。由于存在着诸多问题，因而气体激光陀螺仪的精度难以进一步提高。
光学陀螺仪由于传感信号为激光，不可避免地存在着闭锁现象，即当被测对象的转速低于一定阈值，陀螺仪的输出为非线性或者无输出。传统上减少闭锁的途径有3种：一是给整个陀螺仪加上一固定的转速(Raytheon Co.，USA)；二是给环形腔加上周期振动的抖动进行偏频(Honeywell Co.，USA)；三是利用磁光效应。
随着固体激光技术的发展，半导体泵浦固体激光器(DPSSL)显示出比灯泵固体激光器(LDSSL)的显著优越性，DPSSL总效率比LDSSL高，结构简单，激光输出稳定。特别是单块集成(monolithic)固体激光技术的进步，窄线宽、高功率激光输出，稳频技术等发展推动了固体激光陀螺技术的研究。与目前其他光学陀螺相比，半导体泵浦固体激光陀螺具有以下优点：①为全固态方案，保证了产品宜长期贮存，宜小型化，生产成本低，温度效应弱；②固体增益介质是应用技术成熟的稀土金属晶体材料，其激射波长长(1.064mm)，使得对反射镜的镀膜工艺的要求有所降低，这样可以大大降低陀螺的生产成本；③和目前的He-Ne气体激光陀螺仪一样，半导体激光器泵浦的固体激光陀螺也属有源谐振腔激光陀螺，因此传统的气体激光陀螺所具有的优点也都体现在这类陀螺系统中，从而它将是一种高精度的激光陀螺仪；④在半导体激光器泵浦固体激光陀螺仪系统中，信号采集与处理是利用两路光在输出端合光后产生拍频，它与系统角速度保持线性关系，因此可以大大降低系统信号检测技术的难度。因此，半导体泵浦固体激光陀螺仪引起了人们的注意。1999年Halldorsson等(United States Patent，No.5,960,022)中提出的3自由度半导体泵浦固体激光陀螺仪，使用多个半导体激光器作为泵浦光源，环形腔为单块玻璃的矩形腔，增益介质使用3价稀土金属的晶体(掺Nd3+)，激光工作在连续波模式，采用声光移频技术减少测量锁区，其优点是使用固体增益取代了气体增益，采用光学的方法取代机械的方法减少锁区。其缺点是使用声光移频技术产生多普勒效应减少闭锁，结构复杂。文献“Diels，Jean-Claude et al.Progress toward a compact solid stateactive laser gyroscope Proc.SPIE Vol.3616，p.136-142.”中提出了一种半导体泵浦脉冲锁模固体激光陀螺仪，如图4所示，将超短脉冲激光技术应用于激光陀螺技术，采用半导体激光器端面泵浦方式，使用反射镜构成8字型环形腔，以及多量子阱饱和吸收体(MQW)作为锁模器件。由于激光工作在脉冲模式，经过合理的谐振腔设计，腔中反向传播的两路光脉冲不会在构成谐振腔的光学元件上相遇，因而本征地消除了锁区，而不是使用气体激光陀螺仪机械的方法、磁光效应或者声光效应。但由于脉冲光不可避免地在MQW上产生背向散射而发生能量耦合，该激光陀螺仪使用方波调制信号进行电光调制获得偏频效果，减少闭锁。缺点是由于采用半导体端面泵浦方式，因而环形腔很难进一步小型化，并且由于端面泵浦不可避免采用8字型腔，存在负面积，陀螺仪的标定因子将减小，同时端泵方式会引起晶体增益的热应力不均，导致陀螺仪寿命降低，而且需要更多的光学元件，结构复杂。
发明内容
本发明的目的为了克服上述光学陀螺仪的不足之处，提出一种半导体侧面泵浦固体陀螺仪及其电光调制方法，使其进一步简化结构，较好地克服热应力问题，提高测量精度，减少锁区。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，主要由环形腔反射镜组，增益介质，泵浦装置，电光晶体及其电光调制电路，分束板，光学延时器以及读出电路组成，其特征是所述的泵浦装置采用侧面泵浦，所述的侧面泵浦由聚焦耦合透镜，半导体激光器阵列以及半导体激光器温控装置组成。
本发明的特征还在于所述的环形腔采用由两个曲面镜和一个平面镜组成的等腰三角形腔，两块同等参数的电光晶体对称地放置于等腰三角形的腰上。
所述的半导体激光器温控装置由半导体制冷片、散热片、热敏电阻、温控电路组成。
所述平面镜和曲面镜采用镀对波长1064nm反射率不低于99.9％的高反膜的平面镜和曲面镜。
所述的电光晶体采用端面镀对波长1064nm反射率不高于0.2％高透膜的铌酸锂电光晶体。
增益介质为掺钕0.5％的钒酸钇(Nd：YVO4)，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率不高于0.1％高透膜，远离柱透镜的一面镀对波长1064nm反射率不低于98％的高反膜，紧挨柱透镜的一面镀对波长808nm反射率不高于1％和对波长1064nm反射率不低于98％的双色膜。
所述的聚焦耦合透镜采用镀对波长808nm反射率为不高于1％的高透膜的柱透镜。
本发明还提供了一种所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪的电光调制方法，该方法利用信号发生器、驱动铌酸锂晶体(LiNbO3)的功率放大器组成的电光调制电路调制电光晶体，产生偏频作用，减少锁区，其特征是：使用相位差180度的正弦波调制信号分别调制对称放置的两块同等参数的电光晶体。
本发明的优点是由于采用半导体激光器阵列侧面泵浦装置，使用半导体激光器阵列和聚焦柱透镜泵浦晶体增益介质，增益介质受光面能量比较均匀，能较好地克服热应力问题，同时环形腔为三角形腔，没有负面积，半导体激光器阵列安装在环形腔的内侧或者安装于垂直于腔平面的位置，便于实现陀螺仪的小型化；同时结构和气体激光陀螺仪相似，充分利用气体激光陀螺仪的现成工艺；采用电光晶体进行电光调制，起到机械抖动相似的效果，但抖动频率却能远高于机械抖动；为减少损耗电光晶体端面镀高透膜；调制信号使用相位差180度的正弦波调制信号分别进行调制，能显著地减少陀螺仪锁区；读出电路采用细分电路，能极大地提高陀螺仪测量精度。
附图说明
图1是本发明提出的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪结构示意图。
图2是本发明的侧泵装置示意图。
图3是本发明的电光调制结构示意图。
图4是Diels提出的半导体泵浦脉冲锁模固体激光陀螺仪结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体结构、工作原理及实施例：
图1是本发明提出的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪实施例结构示意图，它主要由反射镜组1、6、8，增益介质2，聚焦耦合透镜3，半导体激光器阵列4，半导体激光器温控装置5，电光晶体7、13，分束板9，读出电路10，光学延时器11，调制电路12以及压电陶瓷(PZT)14组成。半导体激光器4作为泵浦光源，经过聚焦耦合透镜3耦合后泵浦增益介质2；反射镜组1、6、8构成环形谐振腔；电光晶体7、13用于电光调制，产生偏频作用；双向光15、17经由反射镜8输出，经光学延时器11和分束板9合光后产生拍频，读出电路10读出拍频信号，可以测得与谐振腔固联在一起的被测对象相对于惯性空间的转速。所述的环形腔为由两个曲面镜1、6和一个平面镜8组成的等腰三角形腔，两块同等参数的电光晶体7、13对称地放置于等腰三角形的腰上。
图2是本发明的侧泵装置示意图。本发明采用侧面泵浦(side-pumped)方式，由聚焦耦合透镜3、半导体激光器列阵4以及半导体激光器温控装置5组成侧泵装置：半导体制冷片21装在散热片18上，使用导热硅胶将半导体制冷片21贴在半导体激光器列阵4上进行散热，在半导体激光器列阵4基底内部放置热敏电阻19来测量半导体激光器列阵的温度；热敏电阻19反馈温度至温控电路20。温控电路20驱动半导体制冷片21，从而使得半导体激光器列阵4在恒定温度下工作，防止了泵浦波长的漂移。
图3是本发明的电光调制结构示意图，由电光调制电路和电光晶体组成。电光晶体没有外电压时，折射率为n。在三角形腔的腰上对称地放置两块同等参数的电光晶体7、13，先在晶体7、13上加上一恒定u0，折射率变成n0；电压调制电压信号使用三角形波或者锯齿形波u(t)，也加在电光调制晶体7、13上，其中电光调制晶体7为u(t)、电光调制晶体13上为-u(t)，即为相位相反的调制电压。当光束15到达电光晶体7时，调制电压加在电光晶体7上，由于电光效应，电光晶体的折射率将发生改变，变成n0+Δn，其中
光束15的光程也将发生变化l·Δn，光束15一部分经过平面镜8输出，一部分继续行进，经过电光晶体13，由于时间极短，此时电光晶体13上的调制电压为-u(t).电光晶体的折射率为n0-Δn，光束15光程变化量-l·Δn，回到了初始相位；相似地，光束17也发生同样地变化，不同的是光束17经过平面镜8输出后光程改变量为-l·Δn，光束15光程改变量为l·Δn，相当于环形腔有一个初始转速Ω0为
其中：l为晶体厚度；r13为电光系数；c为真空中的光速。
从而产生电光抖动效应。为减少损耗，电光晶体端面镀对波长1064nm反射率不高于0.2％高透膜的铌酸锂。
图4为Diels提出的半导体泵浦脉冲锁模固体激光陀螺仪结构示意图，由半导体激光器，准直透镜，整形棱镜，曲面镜，增益晶体，环形腔平面镜，透镜，饱和吸收体，电光调制晶体。采用8字型腔，使用多量子阱(MQW)作为饱和吸收体，用于产生锁模脉冲激光。半导体激光器为激射波长为808nm的GaAlAs/GaAs激光器，晶体选用了Nd：YVO4，电光转换效率大于50％。由于MQW的背向散射造成闭锁，为了减少闭锁，采用电光晶体LiNbO3进行调制，产生偏频。双向光从反射镜输出，一路光经过光路延时，再进行合光。
这种侧泵陀螺仪工作原理如下：如图1所示，由半导体激光器阵列4发出的泵浦光λ1＝808nm，经过聚焦耦合透镜(采用镀对波长808nm反射率为不高于1％的高透膜的柱透镜)，准直聚焦到晶体增益2[掺钕0.5％的钒酸钇(Nd：YVO4)]，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率不高于0.1％高透膜，远离柱透镜的一面镀对波长1064nm反射率不低于98％的高反膜，紧挨柱透镜的一面镀对波长808nm反射率不高于1％和对波长1064nm反射率不低于98％的双色膜)；晶体增益吸收λ1，发出系列波长的荧光；反射镜1、6、12形成的环形腔构成行波腔，由于模式竞争和谐振腔选模，波长为1.06μm的光波将在腔内形成双向振荡；经输出反射镜8输出；双向光经过分束板9，光学延时器11，在读出电路10上产生谐振，可以获得双向光波的拍频信号，沿着方向16移动光学延时器11，可以调节双向光波的相位差；电光调制晶体7、13用于产生电光抖动，减少陀螺仪的闭锁效应。
实施例：该系统的结构示意图如图1所示。详细说明步骤如下：所用半导体激光器阵列4为GaAlAs/GaAs双异质结激光器阵列6W，峰值波长为810±5nm，固定在半导体制冷器上，并用温控系统控温。增益介质2采用吸收波长与半导体激光器峰值波长相匹配的晶体，我们选用很成熟的Nd：YVO4，没有选用Nd：YAG。Nd：YVO4晶体的掺杂浓度≈0.5％，几何形状为板条，尺寸10×5×5mm，输入输出端面(即2个5×5mm的面)镀对1064nm波长反射率不高于0.1％高透膜，远离柱透镜的一面镀对波长1064nm反射率不低于98％的高反膜，紧挨柱透镜的一面镀对波长808nm反射率不高于1％和对波长1064nm反射率不低于98％的双色膜，晶体用铟箔包裹(以达到良好的热接触)置入铜块内，此铜块用半导体制冷器冷却并可控温。柱面镜为焦距500um，长度13mm。环形腔为由两个曲面镜和一个平面镜组成的等腰三角形腔，腰长为150mm，底边为200mm，反射镜1、6为直径20mm、曲率半径200mm、镀有R＞99.9％@1064nm(入射角24°)膜系的曲面镜，平面镜8为直径20mm、镀有R＞99.9％@1064nm(入射角42°)膜系，形成环形腔。光学延时器11镀对波长1.06μm高反的膜系，用于光学延时以及合光。分束板9镀λ＝1.06μm，T＝50％，也用于合光。读出电路10用于读出信号。电光调制所用电光晶体为两块同等参数的电光晶体，采用端面镀对波长1064nm反射率不高于0.2％高透膜的铌酸锂电光晶体，几何尺寸3×3×5mm(与行波运行方向重合的y光轴上长度5mm)，对称地放置于等腰三角形的腰上。此系统可以测量物体相对于惯性空间的转速，并可以显著地减少锁区。
Claims (8)
1.一种半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，主要由环形腔反射镜组，增益介质，泵浦装置，电光晶体及其电光调制电路，分束板，光学延时器以及读出电路组成，其特征是所述的泵浦装置采用侧面泵浦，所述的侧面泵浦由聚焦耦合透镜，半导体激光器阵列以及半导体激光器温控装置组成。
2.根据权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征在于：所述的环形腔为由两个曲面镜和一个平面镜组成的等腰三角形腔，两块同等参数的电光晶体对称地放置于等腰三角形的腰上。
3.根据权利要求1或2所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征在于：所述的半导体激光器温控装置由半导体制冷片、散热片、热敏电阻、温控电路组成。
4.根据权利要求3所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征在于：所述平面镜和曲面镜采用镀对波长1064nm反射率不低于99.9％的高反膜的平面镜和曲面镜。
5.根据权利要求3任一权利要求所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征在于：所述的电光晶体采用端面镀对波长1064nm反射率不高于0.2％高透膜的铌酸锂电光晶体。
6.根据权利3的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征是增益介质为掺钕0.5％的钒酸钇(Nd：YVO4)，几何形状为板条，输入输出端面镀对1064nm波长反射率不高于0.1的高透膜，远离柱透镜的一面镀对波长1064nm反射率不低于98％的高反膜，紧挨柱透镜的一面镀对波长808nm反射率不高于1％和对波长1064nm反射率不低于98％的双色膜。
7.根据权利要求1或2所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪，其特征在于：所述的聚焦耦合透镜采用镀对波长808nm反射率为不高于1％的高透膜的柱透镜。
8.一种采用如权利要求1所述的半导体侧面泵浦固体激光陀螺仪的电光调制方法，由信号发生器、驱动铌酸锂晶体(LiNbO3)的功率放大器组成的电光调制电路调制电光晶体，产生偏频作用，减少锁区，其特征是：使用相位差180度的正弦波调制信号分别调制对称放置的两块同等参数的电光晶体。
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2002
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