一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，包括激光器(1)、光隔离器(2)、偏振控制器(3)、第一光纤分束器(4)、A铌酸锂电光相位调制器(5)、B铌酸锂电光相位调制器(6)、A环形器(7)、B环形器(8)、耦合系统、A光电探测器(11)、A锁相放大器(12)、A信号源(13)、B信号源(14)、伺服控制器(15)、压电陶瓷控制单元(16)、B光电探测器(17)和B锁相放大器(18)，由锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成耦合系统。本发明专利技术具备尺寸小、重量轻、功耗低、可调谐性，并且相比于典型的环形、球形等微腔有着更大的等效直径，可达到极高的精度和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺
本专利技术属于高灵敏度谐振式光学陀螺系统的
，具体涉及一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺。
技术介绍
陀螺是一类至关重要的惯性角速度传感器，它是实现载体旋转角速度和姿态角度测量的传感器件，与惯性测量系统的整体性能有直接关系。相比于传统的机械陀螺仪而言，光学陀螺具有更高的稳定性和精度，并且成本更低。目前，由于系统微小型化、高灵敏度、高稳定性及高抗过载性等要求，光学陀螺逐渐由激光陀螺、光纤陀螺发展到集成光学陀螺，成为现代导航仪表中不可或缺的关键组成部分。集成光学陀螺是基于Sagnac效应来测量载体的谐振式角速度传感器，有2个重要参数：精度和灵敏度，它们主要由谐振腔的等效直径和品质因数决定，如何在保持陀螺小型化的前提下保持其高灵敏度和高精度是近些年一直探索的关键问题。当前由微加工等技术制造的谐振腔有很多种，品质因数不尽相同，但由于直径大都在几十微米到几百个微米，如果还需进一步提高陀螺的精度和灵敏度存在技术的瓶颈。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：谐振腔是谐振式光学陀螺系统中核心的部件，为了满足陀螺器件小型化的需求，谐振腔器件直径不能做得过大。为了提高陀螺系统的精度和灵敏度，我们提出了一种新的基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，瓶状微型谐振腔，简称瓶状微腔(微腔)，此类谐振腔有着极高的品质因数和很大的等效直径，在满足小型化的前提下极大化的提升系统的精度和灵敏度。本专利技术采用的技术方案为：一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，包括激光器、光隔离器、偏振控制器、第一光纤分束器、A铌酸锂电光相位调制器、B铌酸锂电光相位调制器、A环形器、B环形器、耦合系统、A光电探测器、A锁相放大器、A信号源、B信号源、伺服控制器、压电陶瓷控制单元、B光电探测器和B锁相放大器，耦合系统由锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成，A铌酸锂电光相位调制器、B铌酸锂电光相位调制器的结构相同；A环形器、B环形器的结构相同；A光电探测器、B光电探测器的结构相同；A信号源、B信号源用来产生不同波形和频率的信号；A锁相放大器、B锁相放大器工作频率不同；其中，激光器与光隔离器相连，光隔离器与偏振控制器相连，偏振控制器与第一光纤分束器相连，第一光纤分束器的两路输出分别与A铌酸锂电光相位调制器和B铌酸锂电光相位调制器相连，A铌酸锂电光相位调制器和B铌酸锂电光相位调制器的输出光分别通过A环形器和B环形器进入锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统，锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统的两路输出光的两路光也通过A环形器和B环形器分别与A光电探测器和B光电探测器相连，A光电探测器的输出依次与A锁相放大器、伺服控制器及压电陶瓷控制单元相连，构成伺服回路；另一路B光电探测器的输出与B锁相放大器相连；A信号源的输出分别与B铌酸锂电光相位调制器和A锁相放大器相连，同时为B铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和A锁相放大器提供同步解调信号；B信号源分别与A铌酸锂电光相位调制器与B锁相放大器相连，同时为A铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和B锁相放大器提供同步解调信号。其中，所述的光学微型谐振腔，简称光学微腔，轮廓沿中心轴对称，轴向呈近似的瓶状，中间高，两端低，支持通过选择轴向耦合点位置来激发不同的回音壁模式。其中，所述系统中的瓶状微型谐振腔，经锥形光纤波导耦合进入腔体的光会呈螺旋状传播，绕腔轴传播很多圈后经转折点会旋转回到原来的入射点，此类微腔相比环形类谐振腔具有更大的等效直径，并且具有极高的品质因子Q值。其中，所述系统中的瓶状微型谐振腔，其材料为氧化硅，也可以是氟化钙，氟化镁，氟化钡材料，也可为在某一种材料的瓶状谐振腔的基底下加镀一层氧化硅，氟化钙，氟化镁，氟化钡材料薄膜，配合材料本身的热光系数和热膨胀系数，镀膜方案可更好地消除温度波动对系统的影响；采用氟化钙晶体腔镀氟化镁薄膜，或采用氟化镁晶体腔镀氟化钙薄膜；还有许多负热光系数材料，包括氟化钡、钛酸锶、氧化钛可以和多种正热光系数的晶体或氧化硅玻璃组合。其中，锥形光纤波导与瓶状谐振腔组成的耦合系统为陀螺系统的核心敏感单元，陀螺系统通过测量转动时核心敏感单元带来的频差来检测陀螺转动的角速度。其中，所述的系统中锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统中，保持谐振腔与波导接触，可以很好地激发出微腔内的回音壁模式，而且具有很强的抗干扰能力，可提高陀螺系统的抗震性能；锥形光纤波导也可以是耦合棱镜，倾角光纤波导或者集成波导；另外，可通过调节高精度三维移动平台来调节波导与微腔之间的耦合间隙，将光耦合进入谐振腔；综上，提出的基于瓶状谐振腔的谐振式光学陀螺系统可实现稳定、可调谐、尺寸小、重量轻、功耗低、并且具有高精度和高灵敏度的光学陀螺系统。其中，所述的系统采用的是双频率调制方案，采用相位调制解调技术检测频差的误差信号，并通过伺服控制器反馈回激光器，调谐激光器的中心频率；在实际陀螺使用中，也可采用单调制频率方案；单调制频率方案由激光器、光隔离器、偏振控制器、A铌酸锂电光相位调制器、A环形器、锥形光纤波导与瓶状微型谐振腔组成的耦合系统、A光电探测器、第二光纤分束器、A锁相放大器、B信号源、伺服控制器、第三光纤分束器、B光电探测器、B锁相放大器组成；第二光纤分束器与第三光纤分束器的结构与第一光纤分束器结构相同；单调制频率方案中，激光器与光隔离器相连，光隔离器与偏振控制器相连，偏振控制器与A铌酸锂电光相位调制器相连，A铌酸锂电光相位调制器的输出光通过A环形器锥形光纤波导与瓶状谐振腔组成的耦合系统，耦合系统的输出光通过第二光纤分束器分成两路，一路和B光电探测器相连，与B信号源提供的信号共同相连依次进入A锁相放大器、伺服控制器及压电陶瓷控制单元相连，构成伺服回路；另一路与A环形器的另一输出端耦合进入第三光纤分束器，第三光纤分束器输出与B光电探测器相连，B光电探测器与B锁相放大器相连，B信号源分别与A铌酸锂电光相位调制器与B锁相放大器相连，同时为A铌酸锂电光相位调制器提供调制信号和B锁相放大器提供同步解调信号；单调制频率方案比较简单，所需器件也较少，同样能够提供很好的线性工作区域，但相比于双频率调制方案噪声更大。本专利技术原理在于：1)、基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺系统，如图1，包括激光器1、光隔离器2、偏振控制器3、第一光纤分束器4、A铌酸锂电光相位调制器5、B铌酸锂电光相位调制器6、A环形器7、B环形器8、锥形光纤波导9与瓶状微型微腔10组成的耦合系统、A光电探测器11、A锁相放大器12、A信号源13、B信号源14、伺服控制器15、压电陶瓷控制单元16、B光电探测器17、B锁相放大器18。A铌酸锂电光相位调制器5、B铌酸锂电光相位调制器的结构相同；A环形器7、B环形器8的结构相同；A光电探测器11、B光电探测器17的结构相同；A信号源13、B信号源14的结构相同，可产生不同波形和频率的信号；A锁相放大器12、B锁相放大器18工作频率不同；其中，激光器1与光隔离器2相连，光隔离器2与偏振控制器3相连，偏振控制器3与第一光纤分束器4相连，第一光纤分束器4的两路输出分别与A铌酸锂电光相位调制器5和B铌酸锂电光相位调制器6相连，A铌酸锂电光相位调制器5和B铌酸锂电光相位调制器6的输出光分别本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：包括激光器(1)、光隔离器(2)、偏振控制器(3)、第一光纤分束器(4)、A铌酸锂电光相位调制器(5)、B铌酸锂电光相位调制器(6)、A环形器(7)、B环形器(8)、耦合系统、A光电探测器(11)、A锁相放大器(12)、A信号源(13)、B信号源(14)、伺服控制器(15)、压电陶瓷控制单元(16)、B光电探测器(17)、B锁相放大器(18)，耦合系统由锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成，A铌酸锂电光相位调制器(5)、B铌酸锂电光相位调制器(6)的结构相同；A环形器(7)、B环形器(8)的结构相同；A光电探测器(11)、B光电探测器(17)的结构相同；A信号源(13)、B信号源(14)用来产生不同波形和频率的信号；A锁相放大器(12)、B锁相放大器(18)工作频率不同；其中，激光器(1)与光隔离器(2)相连，光隔离器(2)与偏振控制器(3)相连，偏振控制器(3)与第一光纤分束器(4)相连，第一光纤分束器(4)的两路输出分别与A铌酸锂电光相位调制器(5)和B铌酸锂电光相位调制器(6)相连，A铌酸锂电光相位调制器(5)和B铌酸锂电光相位调制器(6)的输出光分别通过A环形器(7)和B环形器(8)进入锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成的耦合系统，锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成的耦合系统的两路输出光的两路光也通过A环形器(7)和B环形器(8)分别与A光电探测器(11)和B光电探测器(17)相连，A光电探测器(11)的输出依次与A锁相放大器(12)、伺服控制器(15)及压电陶瓷控制单元(16)相连，构成伺服回路；另一路B光电探测器(17)的输出与B锁相放大器(18)相连；A信号源(13)的输出分别与B铌酸锂电光相位调制器(6)和A锁相放大器(12)相连，同时为B铌酸锂电光相位调制器(6)提供调制信号和A锁相放大器(12)提供同步解调信号；B信号源(14)分别与A铌酸锂电光相位调制器(5)与B锁相放大器(18)相连，同时为A铌酸锂电光相位调制器(5)提供调制信号和B锁相放大器(18)提供同步解调信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：包括激光器(1)、光隔离器(2)、偏振控制器(3)、第一光纤分束器(4)、A铌酸锂电光相位调制器(5)、B铌酸锂电光相位调制器(6)、A环形器(7)、B环形器(8)、耦合系统、A光电探测器(11)、A锁相放大器(12)、A信号源(13)、B信号源(14)、伺服控制器(15)、压电陶瓷控制单元(16)、B光电探测器(17)、B锁相放大器(18)，耦合系统由锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成，A铌酸锂电光相位调制器(5)、B铌酸锂电光相位调制器(6)的结构相同；A环形器(7)、B环形器(8)的结构相同；A光电探测器(11)、B光电探测器(17)的结构相同；A信号源(13)、B信号源(14)用来产生不同波形和频率的信号；A锁相放大器(12)、B锁相放大器(18)工作频率不同；其中，激光器(1)与光隔离器(2)相连，光隔离器(2)与偏振控制器(3)相连，偏振控制器(3)与第一光纤分束器(4)相连，第一光纤分束器(4)的两路输出分别与A铌酸锂电光相位调制器(5)和B铌酸锂电光相位调制器(6)相连，A铌酸锂电光相位调制器(5)和B铌酸锂电光相位调制器(6)的输出光分别通过A环形器(7)和B环形器(8)进入锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成的耦合系统，锥形光纤波导(9)与瓶状微型谐振腔(10)组成的耦合系统的两路输出光的两路光也通过A环形器(7)和B环形器(8)分别与A光电探测器(11)和B光电探测器(17)相连，A光电探测器(11)的输出依次与A锁相放大器(12)、伺服控制器(15)及压电陶瓷控制单元(16)相连，构成伺服回路；另一路B光电探测器(17)的输出与B锁相放大器(18)相连；A信号源(13)的输出分别与B铌酸锂电光相位调制器(6)和A锁相放大器(12)相连，同时为B铌酸锂电光相位调制器(6)提供调制信号和A锁相放大器(12)提供同步解调信号；B信号源(14)分别与A铌酸锂电光相位调制器(5)与B锁相放大器(18)相连，同时为A铌酸锂电光相位调制器(5)提供调制信号和B锁相放大器(18)提供同步解调信号。2.根据权利要求1所述的一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述的光学微型谐振腔，简称光学微腔，轮廓沿中心轴对称，轴向呈近似的瓶状，中间高，两端低，支持通过选择轴向耦合点位置来激发不同的回音壁模式。3.根据权利要求1所述的一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述系统中的瓶状微型谐振腔，经锥形光纤波导耦合进入腔体的光会呈螺旋状传播，绕腔轴传播很多圈后会经转折点旋转回到原来的入射点，此类微腔相比环形谐振腔具有更大的等效直径，并且具有极高的品质因子Q值。4.根据权利要求1所述的一种基于瓶状微型谐振腔的谐振式光学陀螺，其特征在于：所述系统中的瓶状微型谐振腔，其材料为氧化硅，也可以是氟化钙，氟化镁，氟化钡，也可为在某一种材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克逸，王梦宇，沈远，杨煜，蔡柏林，方清华，张磊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34