專利名稱：一種全固態(tài)激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和慣性測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
激光陀螺儀用于慣性轉(zhuǎn)速測量已有三十余年的發(fā)展歷史，目前激光陀螺儀已經(jīng)商 品化生產(chǎn)。他的原理是基于光學(xué)賽格納克效應(yīng)，環(huán)路轉(zhuǎn)動導(dǎo)致環(huán)形激光陀螺儀中相向傳 播的行波激光場頻率差Δ ν，該頻率差正比與轉(zhuǎn)動角速度，根據(jù)高伯龍、李樹棠著《激光陀 螺》，國防科技大學(xué)出版社(1984)，有如下公式 4 ^ <formula>formula see original document page 3</formula>其中A表示環(huán)形腔環(huán)路面積，L表示環(huán)形腔環(huán)路光程長度，λ表示激光波長，Ω表 示垂直于環(huán)路平面的轉(zhuǎn)動角速度分量。因此通過測量激光頻率差△ ν，我們可以很精確地 計(jì)算轉(zhuǎn)動角速度Ω。為了測量激光頻率差△ ν，要求在激光陀螺環(huán)路中的雙向行波激光場具有穩(wěn)定的 光強(qiáng)。在目前使用的激光陀螺中均使用氣體增益介質(zhì)，由于氣體原子的運(yùn)動，使激光增益具 有多普勒加寬線型。因此只有在多普勒頻移作用下與激光場發(fā)生共振相互的原子才能對 激光場提供增益。在激光頻率偏離原子中心頻率的條件下，某一種速度的原子對激光陀螺 中某一方向傳播的激光場提供增益，速度與上述原子大小相等方向相反的原子對相反傳播 方向的激光提供增益，因此激光陀螺內(nèi)部的增益介質(zhì)等效成兩部分，每一部分只為一個方 向的激光提供增益，兩個方向的光場模式之間不存在競爭，激光陀螺輸出雙向穩(wěn)定的激光 (實(shí)際中使用兩種同位素混合氣體)。然而氣體增益介質(zhì)有其固有缺點(diǎn)。1、氣體增益介質(zhì)難以實(shí)現(xiàn)小型化和片上集成； 2、氣體放電的高壓導(dǎo)致氣體增益介質(zhì)激光陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜；3、氣體的泄漏和電極濺射等導(dǎo)致 激光陀螺有限壽命。本發(fā)明的目的在于1、用固體增益介質(zhì)代替氣體增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光陀螺的小型化 和片上集成；2、提高激光陀螺的使用壽命和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使用固體增益介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光陀螺的氣體增益介質(zhì)，以提高激光陀螺的 存儲和使用壽命，同時也為實(shí)現(xiàn)激光陀螺小型化和集成化奠定基礎(chǔ)。使用固體增益介質(zhì)要 解決的關(guān)鍵問題是減小環(huán)形腔中雙向光場之間的耦合，為此目的，本發(fā)明利用光學(xué)受激散 射效應(yīng)代替目前激光器中利用原子或離子的受激輻射對激光場提供增益，例如受激拉曼散 射或受激布里淵散射。對于晶體材料而言，由于晶體的晶格結(jié)構(gòu)特性，使受激散射在不同方 向上表現(xiàn)出不同的散射性質(zhì)，泵浦光在不同方向上散射的耦合系數(shù)也不同。比如在GaP介 質(zhì)波導(dǎo)中的拉曼散射，如果波導(dǎo)沿[100]方向，泵浦光在前向拉曼散射的耦合系數(shù)會遠(yuǎn)小 于泵浦光在后向拉曼散射的耦合系數(shù)。如果我們將泵浦光僅耦合到環(huán)形光學(xué)諧振腔的某一個傳播方向，拉曼散射光場則形成在泵浦光的相反方向上的行波場，并且泵浦光為該行波 光場提供增益。如果環(huán)形光學(xué)諧振腔同時輸入兩個方向傳播的泵浦光，則可在該環(huán)形光學(xué) 諧振腔中同時得到兩個方向散射光場的行波場，并且它們分別從不同方向的泵浦光中獲得 增益，這樣就可以有效地消除不同方向上拉曼散射之間的競爭，實(shí)現(xiàn)環(huán)形光學(xué)諧振腔中同 時存在兩個方向上獨(dú)立的激光行波振蕩，在環(huán)路轉(zhuǎn)動的作用下，通過賽格納克效應(yīng)造成兩 個方向光場的頻率差，探測該頻率差，根據(jù)公式(1)可計(jì)算得到轉(zhuǎn)動角速度，實(shí)現(xiàn)激光陀螺 功能。


附圖中A、B、C、D表示分別在[100]、
、[100]、
晶向上的光波導(dǎo)，并且A、 B、C、D相互連接構(gòu)成一個環(huán)形光學(xué)諧振腔，M、N表示介質(zhì)光波導(dǎo)，用于泵浦光和散射光的輸 入輸出，E表示定向耦合器，用于M、N光波導(dǎo)與ABCD環(huán)形光學(xué)諧振腔之間的光場耦合。M、 N光波導(dǎo)的端口用X、Y表示，X、Y端口上鍍有抗反射介質(zhì)膜。
具體實(shí)施例方式下面以GaP基波導(dǎo)的受激拉曼散射激光陀螺為例說明本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方式。本發(fā)明全固態(tài)激光陀螺的原理示意圖如說明書附圖所示，激光陀螺由輸入輸出光 波導(dǎo)、定向耦合器和環(huán)形光學(xué)諧振腔組成，其中環(huán)形腔光波導(dǎo)沿[100]或
方向。設(shè) 泵浦光從光波導(dǎo)X端輸入，并且泵浦光沿晶體的W01]方向偏振，泵浦光通過定向耦合器 進(jìn)入環(huán)形腔波導(dǎo)的A臂，并且仍然保持W01]方向的偏振，根據(jù)晶體中拉曼散射的選擇定 貝U，此時拉曼散射光和光學(xué)聲子的偏振方向分別沿
和[100]方向。在GaP中，參與 相互作用的縱向光學(xué)聲子分兩類(1)后向散射的縱向光學(xué)聲子，波長λωι 0. 13μπι或 (2)前向散射的縱向光學(xué)聲子，波長λω2 7.67μπι。根據(jù)Takao Saito等人Spontaneous Raman scattering in [100], [110], and[11-2]directional GaP waveguides, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 4，(2001)散射系數(shù)公式<formula>formula see original document page 4</formula>⑵式中d和w分別表示光波導(dǎo)在
和
方向上的尺度。取w = 3.8ym，d = Llym帶入上式計(jì)算得1^0.98，η2 0. 02，所以拉曼散射光將集中在后向上。因此 受激拉曼散射激光也將在與泵浦光入射方向相反的方向上，即為圖中逆時鐘傳播模式。因 此從X端入射的泵浦光將對逆時鐘傳播模式提供增益。同理從Y端入射的泵浦光將對順時 鐘方向傳播的激光提供增益。這樣不同的泵浦光對不同方向傳播的激光場提供增益，可以 有效地克服激光陀螺中由不同方向光場的競爭效應(yīng)而引起的光強(qiáng)起伏，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙向光 強(qiáng)輸出，通過頻率差測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光陀螺功能。本發(fā)明可以通過控制從X端口和Y端口輸入泵浦光的光強(qiáng)來分別控制逆、順時鐘 方向傳播拉曼散射激光的光強(qiáng)，由此實(shí)現(xiàn)雙向光場模式平衡控制。本發(fā)明亦可用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)控制雙向光場增益的平衡，比如在環(huán)路中設(shè)置[110]方 向的波導(dǎo)，可以增加拉曼散射前向耦合系數(shù)，這樣環(huán)形光學(xué)諧振腔中，在[100]方向波導(dǎo)中 泵浦光為后向受激拉曼散射提供增益，而在[110]波導(dǎo)中泵浦光位前向受激拉曼散射提供增益，由此可用單向泵浦光為雙向受激拉曼散射提供增益，由于不同方向的受激拉曼散射 增益來自于環(huán)路的不同部分，所以雙向傳播模式之間的耦合被消除，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙向模式 運(yùn)轉(zhuǎn)。
從實(shí)現(xiàn)方案可以看出，本發(fā)明適用于小型化，集成化激光陀螺儀，同時由于其全固 態(tài)化，也為長壽命，高可靠性激光陀螺儀打下了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種激光陀螺儀，由激光增益介質(zhì)、環(huán)形光學(xué)諧振腔、輸入輸出耦合器和光頻差檢測裝置組成，其特征在于激光增益介質(zhì)為固體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于泵浦光通過與固體增益介質(zhì)的受激 散射過程為激光場提供增益。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于激光陀螺儀環(huán)形光學(xué)諧振腔由閉合 介質(zhì)光波導(dǎo)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于激光陀螺儀輸入輸出耦合器由定向 耦合光波導(dǎo)組成。
全文摘要
一種激光陀螺儀。本發(fā)明涉及激光器技術(shù)、光學(xué)技術(shù)和慣性測量技術(shù)。目前使用的激光陀螺均使用氣體增益介質(zhì)，本發(fā)明使用固體增益介質(zhì)代替氣體增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)激光陀螺的全固體化。但由于固體增益介質(zhì)中原子或離子與氣體增益介質(zhì)中原子或離子比較處于相對靜止的運(yùn)動狀態(tài)，由此導(dǎo)致雙向光場模式之間的強(qiáng)烈競爭而引起光場的不穩(wěn)定。為了克服固體增益介質(zhì)激光陀螺的上述困難，本發(fā)明利用泵浦光與固體增益介質(zhì)的光學(xué)受激散射效應(yīng)對激光場提供增益。由于不同方向上傳播的激光場依賴于泵浦光的入射方向，所以可以利用泵浦光控制不同方向上傳播的受激散射光場增益，實(shí)現(xiàn)固態(tài)激光陀螺的雙向激光模式的穩(wěn)定輸出。本發(fā)明適用于片上集成激光陀螺。
文檔編號G01C19/66GK101825464SQ200910042788
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者劉肯, 葉衛(wèi)民, 曾明, 曾淳, 朱志宏, 羅章, 袁曉東 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)