控制环形激光器光学腔长的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种控制环形激光器光学腔长的装置及方法。该装置主要由绝热容器、绝热弹性膜片、压电陶瓷组成，绝热弹性膜片（２）紧密地固定在绝热容器（１）上，压电陶瓷（３）的两端分别与绝热弹性膜片和绝热容器相连接。该方法是将所述装置与环形激光器相连接，并在环形激光器的毛细管内充入干燥空气，通过改变压电陶瓷上的外加电压改变干燥空气折射率，由改变干燥空气折射率改变环形激光器光学腔长的补偿量ΔＬ↓［补］，使其大小接近于由外界环境引起的环形激光器光学腔长的变化量ΔＬ↓［外］，实现对环形激光器光学腔长的控制。本发明专利技术的装置具有响应速度快、灵敏度高、功耗低等优点，可用于反射镜式环形激光器、全反射棱镜式环形激光器，及直腔激光器的稳频系统中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光
，具体地说是一种利用压电陶瓷电控环形激光器毛细管内干燥空气的折射率，实现控制环形激光器光学腔长的方法，主要应用于反射镜式环形激光器、全反射棱镜式环形激光器的稳频系统中，也可以应用在直腔激光器稳频系统中。
技术介绍
惯性技术是惯性敏感器、惯性稳定、惯性导航、惯性制导和惯性测量等技术的统称，是一项涉及多学科的高新技术。陀螺仪是惯性技术的关键器件，它可敏感单轴物体相对惯性空间的角运动。陀螺的种类很多，主要有液浮陀螺、挠性陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺等。目前，惯性导航系统中多使用具有高速转子的挠性陀螺。然而，由于高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到加速度的影响，而且需要一段预热时间，因此，挠性陀螺本身存在着难以克服的缺陷，不能满足惯性测量的更高的要求。与此相比，由于激光陀螺是不需要高速转子的固态陀螺，已成为惯性
内惟一获得了实际应用，且卓有成效的非机电式高精度惯性敏感仪表。激光陀螺是以双向行波环形激光器为核心的量子光学仪表，依靠环形激光器内双向行波间的振荡频率差来测量载体的角速度。激光陀螺的结构包括环形激光器、偏频组件、光学腔长控制组件、信号处理系统等部件。环形激光器的谐振腔通常由三面或四面高质量的高反射率反射镜构成。增益介质气体在电源的激励下，沿谐振腔产生传播方向相反、即顺时针和逆时针方向的两束光。环形激光器内光的频率由谐振腔的光学腔长决定。当谐振腔静止不动时，正反方向传播的两束光的频率相等；当谐振腔有转动角速度时，正反方向传播的两束光的频率不同，其频率差与载体的角速度成正比，满足如下关系式Δv=4Aλ⟨L⟩Ω---(1)]]>其中，A是环形光路所围面积，<L>是谐振腔的光学腔长，λ是环形激光器的工作波长，Ω是待测转速，Δν是正反向行波的频差。因此，如果知道了正反向行波的频差Δν，即可确定载体的转速Ω，这就是激光陀螺的工作原理。由(1)式可见，激光陀螺测量转速的精度取决于它对输出频差Δν的测量精度，而环形激光器振荡频率ν的稳定性直接影响Δν的测量精度。因此，高精度的激光陀螺均要求环形激光器单频输出，且频率稳定。在单频运转的环形激光器中，激光频率ν主要由谐振腔的光学腔长<L>决定，满足关系式v=qC⟨L⟩---(2)]]>式中，q为常数，C为真空中的光速。在激光陀螺的实际工作中，外界环境经常会引起环形激光器的光学腔长变化ΔL外，从而降低了环形激光器振荡频率ν的稳定性。因此，为使环形激光器稳定工作，必须采取稳频措施。通常，利用稳频系统控制环形激光器的光学腔长变化ΔL补，且使该变化满足ΔL补≈-ΔL外即可补偿因外界环境引起环形激光器光学腔长的变化，提高了环形激光器的频率稳定性。根据光学长度的定义<L>＝nL，有d⟨L⟩⟨L⟩=dLL+dnn---(3)]]>其中，n是光路中介质的折射率，L是光路的几何长度。可见，控制光学腔长方法可有两类，即控制谐振腔几何长度L的方法和控制光路中介质折射率n的方法。环形激光器的稳频系统通常由控制光学腔长装置和稳频伺服电路组成。目前的环形激光器稳频系统中，主要有两种控制光学腔长的装置，一种是通过采用压电元件驱动谐振腔的反射镜，控制谐振腔的几何长度，如图1所示。该装置中的压电陶瓷PZT1驱使谐振腔反射镜片M产生平移，从而改变激光器的光路，实现控制环形激光器光学腔长的目的，压电陶瓷PZT2使镜片M产生微小抖动，对环形激光器腔长进行调制。另一种是通过加热丝温控光路中的介质折射率n，如图2所示。该装置主要由气室和电加热丝组成，气室和环形激光器的毛细管B内充有控制气体，通过加热丝改变控制气体的温度，从而改变控制气体的折射率，实现控制环形激光器光学腔长的目的。中国惯性技术学报，1994，2(4)50-57发表的马有年、袁晓东的文章“激光陀螺LG的稳频系统”及有关资料指出，所述的第一种控制环形激光器光学腔长的装置主要应用在反射镜式环形激光器的稳频系统中，它具有结构简单、灵敏度高和响应速度较快等优点，但由于压电元件在其伸缩过程中存在弯曲变形现象，会严重影响环形激光器的性能和激光陀螺的测量精度；所述的第二种控制环形激光器光学腔长的装置主要应用在全反射棱镜式环形激光器的稳频系统中，它在光学腔长控制过程中，不改变环形激光器的光路，控制方法简单，可以解决全反射棱镜式环形激光器难于实现控制谐振腔几何长度的问题，但却存在如下缺点，影响其在高精度激光陀螺中的应用(1)控制光学腔长的装置与激光器存在着温度梯度，严重地影响环形激光器的性能和激光陀螺的测量精度；(2)控制光学腔长装置的调整时间长、启动速度和响应速度低；(3)功耗大。专利技术的内容本专利技术的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种控制环形激光器光学腔长的装置，利用压电陶瓷电控谐振腔内干燥空气的折射率，实现对环形激光器光学腔长的控制。本专利技术的技术方案是这样实现的本专利技术的技术原理是根据“光学技术手册”(王之江，陈杏蒲等，机械工业出版社，1987683)中给出的在0.339μm～1.695μm光谱范围内干燥空气折射率n与状态参量的关系n=1+C(λ)(PT)---(4)]]>其中，C(λ)＝7.748×(1+6.6063×10-3λ-2)×10-3，P为空气的压强(Pa)，T为空气的绝对温度(K)，λ为光的波长(μm)，得出如下结论通过改变干燥空气的压强P或温度T，可以控制干燥空气的折射率n。根据上述原理，本专利技术设计了一种可以控制环形激光器光学腔长的装置，该装置包括绝热容器、绝热弹性膜片、压电陶瓷，其中绝热容器构成所述装置的主体，绝热弹性膜片紧密地固定在绝热容器上，通过绝热弹性膜片将绝热容器分隔为两个空间G和Q，压电陶瓷的一端与绝热弹性膜片连接，另一端固定在绝热容器上。上述控制环形激光器光学腔长的装置，其中绝热容器上设有连接接咀，该接咀可与环形激光器相连接。上述控制环形激光器光学腔长装置中的压电陶瓷为圆筒形，该圆筒上有可外加控制电源电压的正负电极。实际工作时，在空间G和与之连接的激光器毛细管内充入干燥空气，并对Q空间抽真空。由该控制环形激光器光学腔长装置的结构，可得如下关系(1)空气折射率与压强的变化关系以空间G和与之连接的环形激光器毛细管内干燥空气为研究对象。设空气的压强、温度、体积分别为P，T，V。由于空气的压强很低(1标准大气压)，因此可近似看作为理想气体，其状态参量满足理想气体状态方程P=mRTM1V---(5)]]>其中，m为空气的质量，M为空气的摩尔质量，R是普适气体常数。设空气的体积变化ΔV时，相应压强变化ΔP，折射率变化Δn。假设气体状态变化过程为绝热过程，因此有如下关系ΔV=-VΔPκP---(6)]]>其中，κ为空气的绝热指数。根据(4)～(6)式，可得折射率与压强的变化关系为&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制环形激光器光学腔长的装置，其特征在于包括：绝热容器（１）、绝热弹性膜片（２）、压电陶瓷（３），绝热弹性膜片（２）紧密地固定在绝热容器（１）上，并将绝热容器分隔为两个空间Ｇ和Ｑ，压电陶瓷（３）的两端分别与绝热弹性膜片（２）和绝热容器（１）相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石顺祥，赵东洋，李家立，孙艳玲，刘继芳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]