具有正交反向传播模式的固体激光陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及用于惯性导航系统的固体激光陀螺仪。但是，此类激光陀螺仪的设计存在某些技术难题，某种程度上涉及反向传播的波在放大介质内互相干涉的事实。本发明专利技术的激光陀螺仪包括至少一个固体放大介质（２）和一个环形光学腔（１），该环形光学腔包括：第一光学装置（４），用于在包含放大介质的区域的输入输出处赋予两个反向传播的光波第一共同线性偏振态，第二光学装置（３０，３１），用于在放大介质内赋予第一光波第二线性偏振态并赋予第二光波第三线性偏振态，所述偏振态正交，因而消除了所有与干涉相关的不便。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的领域是尤其适用于惯性控制器的固体激光陀螺仪的领 域。例如，这种类型的装置可用于航空应用中。
技术介绍
激光陀螺仪，大约研制于30年前，目前以商业规模广泛应用。它 的工作原理是基于赛格纳克(Sagnac)效应，该效应令在进行旋转运动的 双向激光环形腔内反向传播的两种光传输模式，称为反向传播模式， 之间产生频率差A v。通常，旋转运动引起的两种光模式间的频率差 △ v等于△ v =4AQML其中，L和A分别为腔的长度和面积；A为排除赛格纳克效应的 激光发射波长；Q为装置的旋转速度。通过测量A v，通过两束出射 光之间的差拍的光谱分析获得，可以非常精确地确定Q的值。使用一 种用于激光陀螺仪的典型的条纹计数装置，基于差拍信号，确定系统 的相对角位置。在标准激光陀螺仪中，放大介质为适当比例的氦氖原子气体介质。 但是，在制造激光陀螺仪时，放大介质的气体性质成为技术复杂性的 根源，主要原因是所要求的高气体纯度和使用过程中腔体的过早磨损， 尤其是由于气体泄漏和建立粒子数反转的高压电极的退化。可以制造工作在可见光或近红外区的固体激光陀螺仪，使用例如 基于掺杂稀土元素(如钕，铒或镱)离子的晶体放大介质代替氦/氖气 体混合物，通过工作在近红外区的激光二极管提供光泵浦。这样，就 事实上排除了放大介质的气体特性的所有固有问题。可是，此类型的激光陀螺仪的结构具有某些技术难点，某种程度 上是由于反向传播的波在放大介质内干涉的事实。这是因为，如果放大介质是Nd:YAG类型结晶固体，可以证明， 在这种介质中，增益介质中受激辐射引起的粒子数反转光栅具有令双向发射失稳的效应。另外，当激光陀螺仪旋转的时候，这些光栅成为 运动光栅，通过多普勒效应引起在激光腔内传播的两束反向传播的波 之间的频率偏移，从而增加激光陀螺仪的频率响应的非线性度。也可以使用具有VECSEL (垂直外腔面发射激光器)类型垂直结 构的半导体作为放大介质。VECSEL主要包括构成增益区的一堆活动 量子井区。增益区可以具有约100微米的直径，接近腔内传播的光束 的尺寸，还允许非制导波的传播，就这一点而言，垂直结构的使用对 于陀螺仪应用是有利的。可是，这种设备在传输中的使用是被排除的。 这是因为垂直结构的活动量子井区必须具有与此结构中两束反向传播 的波干涉形成的光栅相等的节距以使增益最优化。当激光陀螺仪运行 的时候，光学光栅不能自由移动，因为它的最大值，也称为波腹，必 须保持在增益区内。这种情况下，会产生"增益所致的锁频"，事实 上这种锁频使得装置不能用作激光陀螺仪。
技术实现思路
根据本专利技术的结构特别有利于晶体固体激光陀螺仪的运转，如果 可以的话也有利于在传输中使用的具有VECSEL型半导体放大介质的 激光陀螺仪的运转。更精确地，本专利技术的一个主题是激光陀螺仪，其包括被安排成令 第一和第二光波可以在腔内反向传播的至少一个环形光学腔和固体放 大介质，其特征在于，所述的环形光学腔包括第一光学装置，用于在包含放大介质的区域外在两个反向传播的 光波上产生共同的第一线性偏振态；以及第二光学装置，用于在包含放大介质的区域内在第一光波上产生 第二线性偏振态并在第二光波上产生第三线性偏振态，第三偏振态与第二偏振态正交。有利地，第二光学装置包括两个法拉第旋转器，第一个置于放大 介质的入口处，第二个置于放大介质的出口处，第一个旋转器使偏振态沿第一方向旋转45° ，第二个旋转器使偏振态沿相反方向旋转45° 。 有利地，激光陀螺仪包括用于周期性转换法拉第旋转器的旋转角 符号的装置。有利地，第一光学装置包括至少一个线性偏振器。第一装置也可 以包括用于在两个反向传播的光波之间引入单向光相移的光学装置。 所述的腔可以包括用于测量温度的装置和用于根据所述的温度测量结 果改变相移值的装置。必要时，第一光学装置包括用于稳定差拍状态中的强度的设备，例如，如专利申请FR 03/03645或FR 03/14598所述的。可以将具有互补作用的光学装置，如波片或旋转器，插入到腔中以最小化或消除当激光偏振面与镜子的s面和p面不一致时激光腔镜可能引起的不需要的相移效应。放大介质可以是晶体介质，例如Nd:YAG型，或具有VECSEL型垂直结构的半导体介质。本专利技术也涉及角度测量或角速度测量系统，其包括至少一个上述激光陀螺仪。有利地，该系统包括三个激光陀螺仪，激光陀螺仪的腔体是定向的以在三个独立方向进行测量。附图说明阅读下面结合非限定性例子和附图给出的描述，将会更清晰地理解本专利技术，明显发现本专利技术的其他优点，附图中 图1示出根据本专利技术的激光陀螺仪的示意图； 图2示出基于法拉第效应的光旋转器的原理；以及图3示出包含放大介质的区域内的偏振态。具体实施方式图1示出根据本专利技术的激光陀螺仪的示意图。其基本包括 光学环形腔1，包括镜子5和半透明片6;固态放大介质2，光学腔和放大介质被安排成可令第一和第二光波 在腔内沿相反方向传播的方式；第一光学装置4，用于在包含放大介质2的区域外在两个反向传播 的光波上产生共同的第一线性偏振态；第二光学装置30和31，用于在包含放大介质并由所述的元件30 和31限定边界的区域内在第一光波上产生第二线性偏振态，在第二光波上产生第三线性偏振态，第三偏振态与第二偏振态正交；以及部件7，用于为惯性测量处理和分析两束反向传播的光波。 为了给出例子，第二装置30和31为基于单向法拉第效应的光旋 转器。当波在具有此效应的光学部件中往返一周后发生偏振旋转作用 时，称波的偏振光旋转为"单向的"。称光学部件为基于单向效应的光 旋转器。具有法拉第效应的材料具备这种特性。它们是在磁场作用下 使经过它们的光线的偏振面发生旋转的材料。这种效应不是互补的。 因此，沿相反方向进入的同样光线将在相同方向发生偏振面的旋转。 这一原理在图2中阐明。正向经过法拉第部件30时线性偏振光101的 偏振方向旋转角3 (图2中的上半部分)。如果令沿相反方向传播、偏 振方向最初被旋转了 的同一光束102再次射入法拉第部件，经过部 件时它的偏振方向再一次被旋转3，于是在往返一次后总的旋转角度 为23 (图2中的下半部分)。如图3中所示，第一旋转器30置于放大介质2的入口，第二旋转 器31置于放大介质的出口，第一旋转器导致偏振态沿第一方向旋转 45° ，第二旋转器使偏振态沿相反方向发生45°旋转。为获得此旋转 变换，例如旋转器等长，穿过它们的磁场的系数等值异号就够了。例 如，可以使用具有相反方向引力的永久磁铁或使用通过相反方向电流 的电感线圈来获得此效应。当使用有电流通过的电感线圈时，有利地，可以随着时间周期性 变换电流方向以使某些单向效应的平均值为零。波101的线性偏振态经过第一旋转器30时沿第一方向发生45度 旋转，并带着这个偏转通过放大介质2。此波的偏振态被第二旋转器 31矫正恢复其初始偏振方向。相反地，沿相反方向进入并经过第二旋 转器31的波102的线性偏振态沿相反方向发生45度旋转，并带着这 个偏转通过放大介质。因此，两个波的两个偏振态在放大介质2内正 交。第二波的偏振态被第一旋转器30矫正恢复其初始偏振方向。因为两个偏振态是正交的，所以他们不能互相干涉。因而，消除 了所有与这种干涉关联的缺点，如晶体固体情形下的粒子数反转光栅 的出现以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光陀螺仪，其包括被安排成令第一和第二光波可以在腔内反向传播的至少一个环形光学腔（１）和固体放大介质（２），其特征在于，所述的腔包括：　第一光学装置（４），用于在包含放大介质的区域外在两个反向传播的光波上产生共同的第一线性偏振态；以及第二光学装置（３０，３１），定义了包含放大介质的区域，用于在此区域内在第一光波上产生第二线性偏振态并在第二光波上产生第三线性偏振态，这两个偏振态正交。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S施瓦茨，G皮格奈特，JP波楚利，A米尼奥，B施泰因豪泽，
申请(专利权)人：泰勒斯公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]