專利名稱：光子注入飽和吸收鎖模型光纖激光陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)陀螺，尤其涉及光纖激光陀螺。
背景技術(shù)：
慣性導(dǎo)航單元(INS)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航、定位定向、穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，陀螺儀 是其中測(cè)量角速率的核心器件。光學(xué)陀螺無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不受地球引力影響，可以做到高 精度或大的動(dòng)態(tài)范圍，抗振動(dòng)性能好，受電磁場(chǎng)影響小，無需預(yù)熱，啟動(dòng)時(shí)間短，捷聯(lián) 便利等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有體積小、成本低、其綜合性能比機(jī)械陀螺，靜電陀螺、磁電陀螺 等具有更多的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)陀螺以光纖陀螺和激光陀螺為主要代表，近十年得到快速發(fā)展， 成為世界陀螺市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。而二者相比，激光陀螺則因其諧振性而擁有更大的動(dòng) 態(tài)范圍和測(cè)量精度，但激光陀螺的傳感元件為氣體激光器，氣體易泄漏，因而光纖陀螺 較之激光陀螺壽命更長。同時(shí)，激光陀螺的工藝復(fù)雜，成本比光纖陀螺高。 發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)明的目的在于提供一種光纖激光陀螺。光纖激光陀螺綜合了光纖陀螺與激光陀 螺的優(yōu)點(diǎn)，利用光纖的固態(tài)性能和激光器的諧振特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出來的新型光學(xué) 陀螺，有希望綜合提高陀螺的整體性能，具有動(dòng)態(tài)范圍大，精度高，抗振動(dòng)沖擊性能好， 壽命長等特點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的由幾大光學(xué)模塊組成光纖有源敏感頭、 超窄線寬光學(xué)濾波器和相干輸出部分；光纖有源敏感頭由帶尾纖的半導(dǎo)體泵浦激光器、
偏振器、波分復(fù)用器和摻鉺增益光纖構(gòu)成具有Sagnac效應(yīng)的有源光纖環(huán)行激光器；超 窄線寬光學(xué)濾波器由耦合器、環(huán)行器、保偏摻鉺增益光纖和光纖Bragg光柵構(gòu)成；相干 輸出部分由耦合器和探測(cè)器組成。信號(hào)處理系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的差頻電信號(hào)處理方式。 由光纖環(huán)形激光器和兩套光子注入飽和吸收鎖模激光模塊構(gòu)成的光纖激光陀螺，光纖 環(huán)形激光器由帶尾纖的半導(dǎo)體泵浦激光器、激光器驅(qū)動(dòng)電路、偏振器、波分復(fù)用器和高 濃度摻鉺增益光纖組成環(huán)行腔，采用的飽和吸收鎖模激光模塊由光纖耦合器、環(huán)行器連 接低摻鉺濃度的保偏增益光纖和Bragg光纖光柵組成線形腔； 本發(fā)明的有益效果-
光纖激光陀螺的理論精度與傳統(tǒng)He-Ne激光陀螺同級(jí)，可以達(dá)到0.001/h慣導(dǎo)級(jí)水平， 但沒有氣體激光陀螺制作時(shí)的超級(jí)工藝難度，如鍍制99.999%的高反射膜和密封技術(shù)等。 光纖激光陀螺的工藝制作如同光纖陀螺，通過并不復(fù)雜的光纖熔接和結(jié)構(gòu)裝配技術(shù)'即
可以獲得激光陀螺的高精度，由于光纖激光陀螺為固態(tài)激光介質(zhì)，沒有氣體泄漏問題， 壽命長，可靠性好。與光纖陀螺相比，由于光纖激光陀螺的工作原理為諧振型，在同樣 的精度要求下，工作環(huán)的摻鉺光纖長度只需十幾米，而光纖陀螺則需要2-4km的保偏光 纖，短光纖纏繞制成環(huán)可以具備以下優(yōu)點(diǎn)1)應(yīng)力小，受溫度場(chǎng)變化的影響??；2)體 積小，3)光纖環(huán)的成本低，可使光纖激光陀螺的總成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光纖陀螺和激光陀螺；
再者，光纖激光陀螺光學(xué)系統(tǒng)中需要電驅(qū)動(dòng)的器件只有半導(dǎo)體泵浦激光器，因此光纖激 光陀螺的功耗遠(yuǎn)小于激光陀螺，也略小于光纖陀螺。 其中引入的光子注入飽和吸收光纖鎖模技術(shù)可以使陀螺穩(wěn)定工作在超窄線寬單縱模
激光狀態(tài)，從而獲得角速率高分辨率的探測(cè)結(jié)果；雙光路鎖模結(jié)構(gòu)使得環(huán)內(nèi)順、逆時(shí)針 方向傳輸?shù)募す獠ㄩL具有微小差異，該差異能自動(dòng)消除激光陀螺的鎖區(qū)效應(yīng)。引入的光 子注入光纖鎖模技術(shù)可以使陀螺穩(wěn)定工作在超窄線寬單縱模激光狀態(tài)，從而獲得角速率 的高分辨率探測(cè)結(jié)果；環(huán)內(nèi)順、逆時(shí)針方向傳輸?shù)募す獠ㄩL具有微小差異，該差異能自
動(dòng)消除激光陀螺的零位閉鎖效應(yīng)。


-
圖l為本發(fā)明的組成與工作原理示意圖
圖2為紅外波段鉺離子的吸收光譜和發(fā)射光譜 圖3為光纖激光陀螺的結(jié)構(gòu)簡圖
圖中l(wèi)一半導(dǎo)體泵浦激光器，2—波分復(fù)用器，3—偏振器，4一光纖耦合器，5— 環(huán)行器，6—低摻鉺濃度的保偏增益光纖，7—Bragg光纖光柵，8—高濃度摻鉺增益光纖， 9一保偏光纖耦合器，10—光電探測(cè)器，ll一信號(hào)處理單元，12—光源驅(qū)動(dòng)電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的工作過程如圖1和圖3所示
摻鉺增益光纖(8)受到由波分復(fù)用器(2)輸入的980nm波長泵浦光的激勵(lì)產(chǎn)生中 心波長為1550咖、譜線寬度為40nm的寬帶激光，在光纖環(huán)形諧振腔內(nèi)激光分別沿順時(shí) 針(CW)方向和逆時(shí)針(CCW)方向傳輸。當(dāng)物體以某一角速率Q旋轉(zhuǎn)時(shí)，環(huán)內(nèi)順時(shí)針和逆 時(shí)針方向傳輸?shù)膬墒す庠赟agna.c效應(yīng)的作用下產(chǎn)生方向相反的頻移Av，通過一個(gè)保 偏光纖耦合器(9)的耦合使兩輸出激光信號(hào)間產(chǎn)生拍頻，接入光電探測(cè)器(10)進(jìn)行 差頻信號(hào)檢測(cè)，解算出物體的旋轉(zhuǎn)角速率值Q。光纖激光陀螺角速率的測(cè)量精度與激光 譜線的銳度成正比
式中，AVo為陀螺輸出信號(hào)頻率的實(shí)際的改變量；g為由于各種原因造成的標(biāo)度因
數(shù)的修正項(xiàng)；A^為最小頻差；Avd為陀螺的零位漂移，可能由環(huán)境溫度梯度等原因引起， 可正可負(fù)。當(dāng)lAv(」《AvJ寸，Av二O。與AVL對(duì)應(yīng)的最小轉(zhuǎn)速為
<formula>formula see original document page 5</formula>
只有做到窄的激光線寬，陀螺才能獲得高的測(cè)量精度。本發(fā)明采用的超窄線寬光學(xué) 濾波裝置，其基本工作原理為在增益線形腔內(nèi)發(fā)生光子注入飽和吸收被動(dòng)鎖模得到窄線 寬序列，調(diào)節(jié)泵浦功率參數(shù)加劇模式競(jìng)爭增大了基模與邊模間的抑制比，從而獲得單模。
具體的過程為
由光纖耦合器(4)、環(huán)行器(5)將環(huán)行腔內(nèi)沿正反時(shí)針不同方向傳輸?shù)?550nm 的寬光譜信號(hào)激光耦合進(jìn)各自對(duì)應(yīng)的光學(xué)濾波裝置中，信號(hào)激光在由環(huán)行器(5)和光 纖Bragg光纖光柵(7)作為反射鏡的直腔內(nèi)傳輸形成駐波，在腔內(nèi)的增益介質(zhì)——保偏 摻鉺增益光纖(6)中引起吸收，吸收改變了折射率，使得沿光纖軸向發(fā)生與駐波光強(qiáng) 分布一致的折射率周期性調(diào)制，吸收飽和產(chǎn)生空間燒孔，構(gòu)成了瞬態(tài)光纖光柵，該光柵 對(duì)傳輸中的信號(hào)激光進(jìn)行梳狀窄帶濾波，在摻鉺增益光纖(6)中產(chǎn)生飽和吸收形成空 間鎖模，將工作波長鎖定，獲得穩(wěn)定的線寬為^100Hz的超窄帶單縱模激光輸出。
用數(shù)學(xué)方式定量描述光子注入飽和吸收鎖模濾波的原理。 在光纖的柱坐標(biāo)系中，入射到光學(xué)濾波裝置的光波電場(chǎng)矢量為
齡<formula>formula see original document page 5</formula>其中，光波在光纖橫截面上的能量分布為E (r， <)))， r為徑向變量，小為光波電矢 量的角度變量，co為光波頻率，t為傳輸時(shí)間，P為光波的傳輸常數(shù)，z為光纖的軸向位 置變量。代入Helmholz方程，得到在遠(yuǎn)離截止?fàn)顟B(tài)下纖芯中單偏基模傳輸光波的電場(chǎng) 解為
￡ = ^/。(M21。.r,其中，A為常數(shù)，a為光纖纖芯半徑。 a
光纖中的波函數(shù)可以寫成
，405
￡ = A/0 (-'-). exp[ y'(:/b — < , + p)]
C7
其中①為初始相位。在未泵浦摻鉺光纖(6)和Bragg光纖光柵(7)構(gòu)成的線行腔 中，入射光和反射光互相干涉，形成駐波，其表達(dá)式為
!.405
r). cos fe . exp[ j.(—加+伊)]
這樣光強(qiáng)沿軸向?qū)⒊手芷谛杂嘞曳植肌?br> 圖2為紅外波段鉺離子的吸收光譜和發(fā)射光譜。從圖中可以看到，鉺離子在1550nm 波段附近存在強(qiáng)烈的吸收。當(dāng)1550nm的信號(hào)光通過摻鉺光纖(6)時(shí)，對(duì)應(yīng)著基態(tài)到亞 穩(wěn)態(tài)4F13/2—咕15/2能級(jí)間的吸收躍遷，形成二能級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。根據(jù)受激吸收理論，受激 吸收躍遷幾率W12==B12pv ,這里Bi2為愛因斯坦受激吸收系數(shù)，Pv為激勵(lì)場(chǎng)單位頻 率的能量密度；由于光強(qiáng)的周期性變化，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也將隨著空間軸向位置不同產(chǎn)牛.周 期性分布變化。即在線行腔駐波的波峰波谷處，吸收系數(shù)不同，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)An也不同，
形成空間燒孔效應(yīng)，對(duì)摻鉺光纖形成折射率的周期性調(diào)制，介質(zhì)的折射率77與反轉(zhuǎn)粒子
數(shù)的關(guān)系為？二1 —(
0
V
可見，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的數(shù)目將影響折射率的分布，從而形成瞬態(tài)布喇格光柵。 研究瞬態(tài)光柵的性質(zhì)，光柵的周期為A = X。/neff，其中人o為諧振波長，tVf為有效
折射率，假設(shè)光纖的折射率調(diào)制沿軸向是均勻的，則瞬態(tài)布喇格光柵的反射率和半高帶
寬(FWHM)可以表示為
A入=入V (2 n Bff L Bff)
式中a p:ei誦er-2兀/A:4n neff(l/X-l/X0);K=:i 5 n/入B,為光纖光柵(7)中的相位
匹配因子；Sn為折射率調(diào)制深度；入8=211戰(zhàn)A-AQ，為布喇格波長(即A e =0時(shí)對(duì)應(yīng)的 光波波長);Lg為飽和吸收體的長度；耦合系數(shù)S -(Ay6/2)2 , n eff為有效折射率,
L祖在弱導(dǎo)情況下為光纖長度。對(duì)非弱導(dǎo)型光纖，L,Jt/(2K)'當(dāng)調(diào)制深度S n較大 時(shí)，有
△入=2 S n A
由此可知，飽和吸收體的反射帶寬隨折射率調(diào)制深度的增加而增加，在調(diào)制深度5 n較 大的情況下呈線性，光柵的反射帶寬隨光柵長度增加而減少，并趨于飽和。
經(jīng)過濾波后，該窄帶激光通過環(huán)行器(5)重新回到光纖環(huán)中，使線形腔與環(huán)行腔 連成一體諧振腔，當(dāng)物體以某一角速率Q旋轉(zhuǎn)時(shí)，在Sagnac效應(yīng)的作用下環(huán)內(nèi)沿順時(shí)針 和逆時(shí)針傳播的光產(chǎn)生頻移Av，分別在兩個(gè)線形腔的腔鏡端輸出，通過一個(gè)光纖耦合器 (9)的耦合使兩輸出激光信號(hào)間產(chǎn)生拍頻，接入信號(hào)處理單元(11)進(jìn)行差頻信號(hào)檢 測(cè)，解算出物體的旋轉(zhuǎn)角速率值Q。超窄線寬激光使得頻移的分辨率得到提高，也就提 高了陀螺的角速率測(cè)量精度。
本發(fā)明圖3中采用的兩套超窄線寬光學(xué)濾波裝置，在內(nèi)部參數(shù)上有微小差異，使兩個(gè) 濾波器的中心波長分別為、和^， 二者的差頻在環(huán)行腔中形成初始零偏，該零偏值被設(shè) 計(jì)調(diào)整到剛剛能覆蓋激光陀螺的鎖區(qū)頻率范圍，這樣可以自動(dòng)消除激光陀螺的鎖區(qū)效
本發(fā)明作為高精度陀螺，應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹娇铡⒑教?、航海與陸用武器的慣導(dǎo)和陀螺羅 經(jīng)的場(chǎng)合，如衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、汽車和各類航彈、導(dǎo)彈的自主導(dǎo)航、航姿控制、精確 對(duì)準(zhǔn)、儀器的穩(wěn)瞄穩(wěn)像和精密自行控制系統(tǒng)等，大大提高了武器的精確打擊和自動(dòng)控制 能力，提高了戰(zhàn)爭的現(xiàn)代化程度。它在民用領(lǐng)域如深空探測(cè)航天器回收倉的導(dǎo)航地 質(zhì)勘探與野外施工測(cè)量指北儀、定位定向系統(tǒng)；民航飛機(jī)、車輛、機(jī)器人導(dǎo)航、精密 探測(cè)儀器的穩(wěn)定系統(tǒng)，鐵路、公路檢測(cè)等方面。
從圖3中可以看到，有源光纖環(huán)行激光器中采用中心波長為980nm，帶尾纖的半導(dǎo)體 泵浦激光器(1) (QLM9S470-917)，由光源驅(qū)動(dòng)電路(12)驅(qū)動(dòng)，偏振器(3) ， 980隨/1550nm 的波分復(fù)用器(2)，摻鉺濃度為900卯m，長度為12米的增益光纖(8)融接而成'兩套 超窄線寬光子注入光纖鎖模裝置由中心波長為1550nm的光纖耦合器(4)，環(huán)行器(5)' 摻鉺濃度為200ppni，長度為2米的保偏增益光纖(6)和中心波長為1550nm，反射帶寬為 0. 15nm,反射率大于80%的光纖光柵(7)融接構(gòu)成，由波長為1550nm、功率分束比為50:
50的光纖耦合器(9)及探測(cè)器(10) (PF511)構(gòu)成選模濾波輸出系統(tǒng)，形成光纖激光 陀螺的整體光路方案。光電探測(cè)器輸出的信號(hào)最終經(jīng)由信號(hào)處理單元(11)進(jìn)行處理后 輸出角速率信息。
權(quán)利要求
1.一種光纖激光陀螺，主要由幾大光學(xué)模塊光纖有源敏感頭、超窄線寬光學(xué)濾波器和相干輸出部分組成；光纖有源敏感頭由帶尾纖的半導(dǎo)體泵浦激光器、隔離器、波分復(fù)用器和摻鉺增益光纖構(gòu)成具有Sagnac效應(yīng)的有源光纖環(huán)行激光器；超窄線寬光學(xué)濾波器由耦合器、環(huán)行器、保偏摻鉺增益光纖和光纖Bragg光柵構(gòu)成；相干輸出部分由耦合器和探測(cè)器組成，其特征在于由光纖環(huán)形激光器和兩套光子注入飽和吸收鎖模激光模塊構(gòu)成的光纖激光陀螺，光纖環(huán)形激光器由帶尾纖的半導(dǎo)體泵浦激光器(1)、激光器驅(qū)動(dòng)電路(12)、偏振器(3)、波分復(fù)用器(2)和高濃度摻鉺增益光纖(8)組成環(huán)行腔，采用的飽和吸收鎖模激光模塊由光纖耦合器(4)、環(huán)行器(5)連接低摻鉺濃度的保偏增益光纖(6)和Bragg光纖光柵(7)組成線形腔；
2. 如權(quán)利要求l所述的光纖激光陀螺，其特征在于通過調(diào)諧泵浦激光功率，使單模 超窄線寬激光輸出的線寬小于60Hz，激光輸出的波長縱模間隔小于2KHz的多；
3. 如權(quán)利2要求所述的光纖激光陀螺，其特征在于輸出端建立在Bragg光纖光柵的 透射尾端，通過保偏光纖耦合器(9)輸出陀螺信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)陀螺，具體涉及光纖激光陀螺。它由超窄線寬光纖鎖模激光器、波分復(fù)用器、光纖Sagnac環(huán)路、環(huán)行器、偏振器及探測(cè)器、差頻信號(hào)處理電路組成，其特征在于采用由帶尾纖的半導(dǎo)體泵浦激光器、隔離器、波分復(fù)用器、增益光纖構(gòu)成的具有Sagnac效應(yīng)的有源光纖環(huán)行激光器；兩套由光纖耦合器、環(huán)行器、超窄線寬光子注入光纖鎖模裝置、偏振器及探測(cè)器構(gòu)成的選模濾波輸出系統(tǒng)，形成光纖激光陀螺光路方案。本發(fā)明引入的光子注入光纖鎖模技術(shù)可以使陀螺穩(wěn)定工作在超窄線寬單縱模激光狀態(tài)，從而獲得角速率的高分辨率探測(cè)結(jié)果；環(huán)內(nèi)順、逆時(shí)針方向傳輸?shù)募す獠ㄩL具有微小差異，該差異能自動(dòng)消除激光陀螺的鎖區(qū)效應(yīng)。本發(fā)明作為高精度陀螺可以應(yīng)用于航空、航天、航海與陸用武器的慣性測(cè)量單元。
文檔編號(hào)G01C19/72GK101169324SQ20061015065
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月23日
發(fā)明者雷 付, 孟彥彬, 明 張, 李偉明, 杜麗輝, 陳淑芬 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)