一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪及角速度的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪及角速度的测量方法，所述光学陀螺仪包括直波导、微环谐振腔、旋转平台、空间周期性微电极、耦合区、可调电压源；直波导与微环谐振腔处于耦合状态，形成耦合区；旋转平台用于带动微环谐振腔旋转；入射光经由直波导通过耦合区进入微环谐振腔；空间周期性微电极设置在微环谐振腔的非耦合圆弧区域，作用于微环谐振腔，施加周期分布电场对电极对应区域产生调制，形成周期性的折射率分布，产生一个调制深度可控的等效布拉格光栅；可调电压源用于调节空间周期性微电极的电压，调节电极对应区域折射率。本发明专利技术可以通过测量该陀螺仪透射光谱的谐振劈裂峰透射率差值实现角速度的测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪及角速度的测量方法


[0001]本专利技术涉及光学陀螺仪
，具体涉及一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪及角速度的测量方法。

技术介绍

[0002]谐振式光学陀螺仪主要通过检测旋转引起的腔内顺时针模式和逆时针模式的谐振频率差来测量角速度，其关键在于敏感单元的设计，主要包括回音壁模式谐振腔，光波导环形谐振腔等。该类型陀螺仪具有精度高、重量轻、小型化等优点，在航空、航天、自动驾驶等领域具有广泛应用。
[0003]目前基于回音壁模式谐振腔的光学陀螺仪主要通过双向输入光场，测量谐振频率漂移量实现角速度测量，敏感单元设计包括：单环耦合单波导结构和多环光波导谐振腔结构。单环结构要求微环制作精细，以获得高品质因子，满足谐振条件且相向传输的两束入射光耦合进入微环形成逆时针模式和顺时针模式，旋转引起谐振峰劈裂时可计算出角速度；相对于相同面积的单环谐振腔，多环光波导谐振腔结构能提供更明显的谐振差来获得更高的灵敏度，但环与环之间的耦合需要精确设计和控制，耦合损耗更高。
[0004]目前现有谐振式光学陀螺仪检测灵敏度均为固定值，通过测量旋转后引起的谐振峰劈裂来计算出角速度，如果能够实现一种检测灵敏度可调且通过测量透射率计算出角速度的光学陀螺仪，根据实际情况灵活调节所需灵敏度，具有重要的理论和实践意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪及角速度的测量方法，其可以通过测量该陀螺仪透射光谱的谐振劈裂峰透射率差值实现角速度的测量。
[0006]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪。根据本专利技术的实施例，包括直波导、微环谐振腔、旋转平台、空间周期性微电极、耦合区、可调电压源；
[0007]所述直波导与微环谐振腔处于耦合状态，形成耦合区；
[0008]所述旋转平台与微环谐振腔相连接，旋转平台用于带动微环谐振腔旋转；
[0009]入射光耦合进入直波导，通过直波导表面倏逝场在耦合区被耦合进入微环谐振腔，当入射光满足谐振条件时，形成逆时针传输模式，透射光谱上体现为谐振波长处的单一透射峰。
[0010]所述空间周期性微电极设置在微环谐振腔的非耦合圆弧区域，作用于微环谐振腔，施加周期分布电场对电极对应区域产生调制，形成周期性的折射率分布，产生一个调制深度可控的等效布拉格光栅，所述等效光栅可引起反射；透射光谱谐振波长处单一透射峰产生模式劈裂的方法为：空间周期性微电极在微环谐振腔电极对应区域产生折射率调制，
等效形成布拉格光栅，逆时针传输模式在折射率调制区域满足布拉格反射条件后将会产生反射，形成顺时针模式，顺时针模式和逆时针模式相互耦合，产生透射峰劈裂。
[0011]所述可调电压源用于调节空间周期性微电极的电压大小，调节电极对应区域折射率大小。
[0012]另外，根据本专利技术上述实施例的一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪，还可以具有如下附加的技术特征：
[0013]在本专利技术的一些实施例中，所述微环谐振腔的材料为近红外波段低损耗电光材料。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，所述微环谐振腔的材料为铌酸锂。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，所述空间周期性微电极位置固定，不与微环谐振腔接触，形成的等效布拉格光栅的位置不会随着微环谐振腔旋转而发生变化，通过改变电压大小调节非耦合圆弧处微环谐振腔的折射率调制，实现陀螺仪检测灵敏度控制。
[0016]在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪的灵敏度控制方法。根据本专利技术的实施例，通过可调电压源改变电压大小调节非耦合圆弧处微环谐振腔的折射率，改变等效光栅的反射强度，影响微环谐振腔内两个模式耦合强度，影响透射光谱两模式劈裂程度；模式劈裂程度不同，同一转速所引起的透射率差值不同，实现陀螺仪检测灵敏度控制。
[0017]在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪的角速度测量方法。根据本专利技术的实施例，采用所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪进行测量，具体包括以下步骤：
[0018]入射光经由直波导通过耦合区进入微环谐振腔内，当入射光波长满足谐振条件时，形成逆时针传输模式，在透射光谱上体现为谐振波长处有一个透射峰；通过空间周期性微电极对微环谐振腔相应区域产生折射率调制等效形成布拉格光栅，当逆时针传输模式在折射率调制区域满足布拉格反射条件后将会产生反射，形成顺时针模式，两模式发生相互耦合，在透射光谱上体现为模式劈裂；当旋转平台带动微环谐振腔旋转后，在透射光谱上体现为劈裂后的两个模式透射率发生变化，通过测量透射率差值，即可测量出陀螺仪旋转角速度。
[0019]另外，根据本专利技术上述实施例的一种所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪的角速度测量方法，还可以具有如下附加的技术特征：
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述陀螺仪旋转角速度计算公式如下：
[0021][0022]其中，ΔT为微环谐振腔透射率差值，T(ω)为微环谐振腔透射谱，ω0为微环谐振腔谐振频率，ω
+
、ω
‑
分别为微环谐振腔在逆时针模式和顺时针模式下不加电压调制时施加旋转后的谐振频率，顺时针模式耦合至逆时针模式的耦合系数为κ
+
，逆时针模式耦合至顺时针模式的耦合系数为κ
‑
；
[0023]萨格纳克频移n为微环谐振腔的折射率，R为微环谐振腔的半径，Ω为微环谐振腔的转速，c为真空中光速，λ为微环谐振腔的谐振波长。
[0024]在本专利技术的一些实施例中，所述微环谐振腔透射谱T(ω)的计算公式如下：
[0025][0026]其中，i为单位虚数，μ
c
为微环谐振腔与直波导的耦合率，ω为入射光场频率，ω
+
、ω
‑
分别为微环谐振腔在逆时针模式和顺时针模式下不加电压调制时施加旋转后的谐振频率，γ为微环谐振腔本征损耗，顺时针模式耦合至逆时针模式的耦合系数为κ
+
，逆时针模式耦合至顺时针模式的耦合系数为κ
‑
。
[0027]在本专利技术的一些实施例中，微环谐振腔的折射率n计算公式如下：
[0028]ε为介电常数，μ0为磁导率。
[0029]在本专利技术的一些实施例中，空间周期性微电极调制形式表示如下：
[0030][0031]其中为电压调节引起的介电常数变化值，Δε
m
为调制深度幅值，L为电压调制相关参数，为方位角坐标。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0033]本专利技术通过空间周期性微电极施加电场对微环谐振腔的非耦合圆弧处折射率产生调制，在透射光谱上形成劈裂峰；施加旋转后，检测模式透射率差值实现角速度测量，同时由可调电压源改变电压大小，调节空间周期性微电极相应区域的折射率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪，其特征在于：包括直波导、微环谐振腔、旋转平台、空间周期性微电极、耦合区、可调电压源；所述直波导与微环谐振腔处于耦合状态，形成耦合区；所述旋转平台与微环谐振腔相连接，旋转平台用于带动微环谐振腔旋转；所述耦合区用于将入射光由直波导耦合进入微环谐振腔；所述空间周期性微电极设置在微环谐振腔的非耦合圆弧区域，作用于微环谐振腔，施加周期分布电场对电极对应区域产生调制，形成周期性的折射率分布，产生一个调制深度可控的等效布拉格光栅，所述等效光栅可引起反射；所述可调电压源用于调节空间周期性微电极的电压大小，调节电极对应区域折射率大小。2.根据权利要求1所述的一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪，其特征在于：所述微环谐振腔的材料为近红外波段低损耗电光材料。3.根据权利要求1所述的一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪，其特征在于：所述微环谐振腔的材料为铌酸锂。4.根据权利要求1所述的一种基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪，其特征在于：所述空间周期性微电极位置固定，不与微环谐振腔接触。5.一种根据权利要求1
‑
4任一项所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪的灵敏度控制方法，其特征在于：通过可调电压源改变电压大小调节电极对应区域处微环谐振腔的折射率大小，改变等效光栅的反射强度，影响微环谐振腔内顺时针模式和逆时针模式的耦合强度，影响透射光谱两模式劈裂程度实现陀螺仪检测灵敏度控制。6.一种根据权利要求1
‑
4任一项所述的基于微腔结构检测灵敏度可调的光学陀螺仪的角速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：入射光经由直波导通过耦合区进入微环谐振腔内，当入射光波长满足谐振条件时，形成逆时针传输模式，在透射光谱上体现为谐振波长处有一个透射峰；通过空间周期性微电极对微环谐振腔电极对应区域产生折射率调制，等效形成布拉格光栅，当逆时针传输模式在折射率调制区域满足布拉格反射条件后将会产生反射，形成顺时针模式，两模式发生相互耦合，在透射光谱上体现为模式劈裂...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹志刚，陈家铭，刘斌，吴语燕，孙雨晗，汪玉琦，袁浩，吕亮，胡志家，俞本立，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：