[发明专利]具有固态放大介质和光学环形腔的激光陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及包括固态放大元件的激光陀螺仪。

背景技术

激光陀螺仪是运动传感器，其使得测量传感器的参考系相对于伽利略参考系绕一个或多个轴的旋转速率成为可能。

激光陀螺测速仪或激光陀螺仪是双向环形激光器，其使得测量角速率(或通过对时间积分，相对角位置)成为可能。其包括由组装于块上的数个反射镜(mirror)构成的光学腔，块中钻出有路径以提供光学腔。放大介质被插入到腔的光路中，且激发系统必需向放大介质提供能量以使得可能生成激光增益。选择构成激光腔的元件以容许双向操作：激光腔必需能够同时维持在相反方向上的两个波(所谓的逆向旋转波)。

激光陀螺仪通常用于测量旋转速率或角位置。此类型的仪器特别地用于航空应用。

激光陀螺仪的操作原理基于施加有旋转运动的环形激光腔中的萨格奈克效应(Sagnac effect)。当腔静止时，两个逆向旋转波呈现相同的光学频率。在光学腔的平面中存在旋转运动时，萨格奈克效应包括两个逆向旋转光学波之间的频率差Ω。从腔提取每个波的一部分能量。复合器件使得两个提取的束相干涉以便形成借助于一个或多个光检测器观察到的干涉条纹。在理想的激光陀螺测速仪中，光检测器前面的条纹的频率与施加于腔上的旋转速率成比率，并且它们的行进方向取决于旋转方向。

大多数激光陀螺测速仪，也称作激光陀螺仪，使用气体放大介质，该放大介质通常是氦和氖的混合物。于是通常通过在气体中产生等离子体来执行气体放大介质的激发，例如通过在机械上牢固地连接至腔的两个电极之间生成放电来执行气体放大介质的激发。然而，在激光陀螺仪的生产期间，放大介质的气体性质依然是技术复杂的根源，特别是因为需要高的气体纯度。此外，其导致激光器老化、对腔的密封的敏感、某些电极随操作的退化的根源。

利用固态放大介质产生激光陀螺仪是可能的，其中，气体放大介质由固态元件替代，例如通过采用YAG(钇铝石榴石)基体中的钕离子，通常由Nd:YAG表示，产生在近红外操作的固态激光陀螺仪是可能的。晶体基体或掺杂有属于稀土(铒、镱等)种类的离子的玻璃、或另外的半导电材料能够用作放大介质。从而避免了气态放大介质固有的所有问题。因为通常采用的晶体或玻璃基体是非常坏的电导体，所以仅光泵浦能够激发放大介质。合适波长的光束必需注入到固态放大介质的有用体积中，以引起期望的原子跃迁的粒子数反转，该粒子数反转使得可能引起光增益。借助于激光二极管或光纤激光二极管，当前能够有效地执行此泵浦。

固态激光陀螺仪通常用于测量旋转速率或角位置。此类型的仪器特别地用于航空应用。

为了优化光泵浦，执行纵向泵浦是可能的，或者另作说明，通过激光腔的反射镜将能量注入到谐振束的轴中。能够可选地利用附加的内部装置来稳定逆向旋转波方式的操作。于是能够通过观察两个逆向旋转谐振波之间的干涉执行腔的旋转速率的测量。

光泵浦的纵向配置使得必需将注入的束以小于二十微米的精度叠加于腔中的光学稳定束上。通过将用于注入的光学部件牢固地连接至独立的支架通常能够获得该精度，该支架装配有用于调节位置和倾斜的元件。此支架的运动不受限于光腔的运动。

为了补偿具有气态放大介质的激光陀螺仪中固有的限制，对于低的旋转速率，典型地小于每秒十分之几度或实际上百分之几度的旋转速率，其通常选择为通过机械活动使腔永久经受100Hz至1kHz量级的频率的振荡旋转运动。此实施模式使得具有气态放大介质的激光陀螺仪在称作盲区的此低的旋转速率范围中正确地操作，此盲区归因于来自反射镜的背散射。通常由两个电极构成的激发装置牢固地连接至块并且其仍然产生于腔的活动中，该两个电极间的大的电压差引起气体的离化。

具有固态放大介质例如掺钕YAG基体的激光陀螺测速仪呈现相同的盲区限制，考虑到固态放大介质中的逆向旋转波的附加耦合，可以增大该盲区限制，该固态放大介质通常具有所谓的均匀展宽的增益。调换该实施模式，即腔的机械活动，至固态激光陀螺仪产生问题，因为在此情况下，注入光学器件在经历旋转振荡运动的腔外部，该振荡旋转运动时间上改变放大介质相对于泵浦束的位置，由此引起对腔发射的强度的调制，这可以引起激光陀螺仪的严重的不正常操作。

发明内容

本发明的目的是减轻上述各种问题。