[发明专利]基于外腔回馈的激光陀螺偏频方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光陀螺，尤其是涉及到一种使激光陀螺产生偏频的方法。

背景技术

激光陀螺具有动态范围大、无加速度效应、结构简单等优越性，是惯性系统尤其是捷联惯性系统的理想元件，已经大量应用于军事和民用领域。激光陀螺的原理是萨格纳克（Sagnac）效应，在它的光学谐振腔内至少运行一对相向传播的光波。当它绕敏感轴相对于惯性空间转动时，相向行波的频率产生分裂，形成正比于转动速率的拍频，因而通过测量拍频即可获得激光陀螺相对于惯性空间的转动信息。

由于谐振腔内相向行波间的能量耦合，激光陀螺存在闭锁效应，导致它无法测量较低的转速。最常见的克服闭锁的方法是机械抖动偏频，该方法用一个机械抖动机构使激光陀螺不停地以小幅度高频率抖动，使激光陀螺不断地快速经过锁区，减小闭锁对测量的影响。但机械抖动容易对惯性系统中的其它仪表产生干扰，产生机械噪音，影响系统精度，增加了系统设计的难度。

从原理上讲，电磁或光学偏频方法不存在机械抖动偏频的缺点。光学偏频方法有磁镜偏频、磁光塞曼偏频、磁光法拉第旋光偏频、多模自偏频等。磁镜是在镜子上镀制一层具有磁光效应的薄膜，其显著缺点是这种磁光薄膜损耗较大、而且存在一定的非互易损耗。磁光塞曼偏频利用增益介质的塞曼效应，用这种方法制成的激光陀螺能够达到一定的精度，但距一般的导航级应用还有一定的差距，而且磁敏感性非常大。法拉第旋光偏频对磁场和温度非常敏感，为此需要采用四频差动技术，尽管如此，由于这种激光陀螺需要在腔内放置法拉第室，不仅增大了腔损耗，而且对镀膜、调腔都提出了过于苛刻的要求。更详细的信息可以参考[Chow W W, Banacloche J G, Pedrotti L M et al. The ring laser gyro. Reviews of Modern Physics, 1985, 57(1): 61-104.; 姜亚南. 环形激光陀螺. 北京：清华大学出版社, 1985.]

回馈是使激光器输出光的一部分再反射或散射进入到激光谐振腔，从而使激光功率或频率产生调制的现象。由于回馈光带有外部回馈光路中的很多信息，因此可以利用回馈来实现位移、振动、相位等物理量的精确测量[参考：张书练. 激光回馈技术及发展. 激光与光电子学进展, 2007, 44(11): 65-76.; 张书练. 正交偏振激光原理[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005。

本发明提出一种采用光回馈来为激光陀螺提供偏频的方法，它基本不改变现有机械抖动激光陀螺的腔体，不需要在激光器腔内光路中置入透射型光学元件，但能提供与机械抖动类似的效果，从而非常完美的克服了闭锁问题。

发明内容

本发明是为了克服激光陀螺的闭锁问题，通过光回馈和外部腔调制，提供与机械抖动类似的效果，但不用在激光陀螺腔内增加光学元件，从而能够利用成熟的腔体技术来获得更好的精度。

为实现本发明目的，可以采取如下技术方案：

包括由至少3面反射镜组成的激光陀螺和由两面反射镜组成的回馈外腔，通过回馈外腔的作用，改变激光方向使从激光陀螺谐振腔出射的激光重新反射到谐振腔内部，在外腔光路中置入非互易光学装置及程长调制装置，在激光陀螺内的顺时针和逆时针行波内建立偏频，然后对外腔长度进行交流调制和控制，实现偏频的交变抖动，将激光陀螺输出光再次反射到谐振腔内，且使顺时针光束仍进入顺时针环路，逆时针光束仍进入逆时针环路，引起激光陀螺内部激光性质尤其是振荡频率的改变。

其中，通过在谐振腔外部的光路中增加非互易光学元件（如法拉第旋光器），使顺时针光束和逆时针光束产生非互易性，可在激光陀螺顺时针和逆时针激光之间建立频率偏置。选择合适的非互易元件，使频率偏置满足要求，然后对外腔光程进行调制和控制，可改变非互易偏频的大小。采用交流（或叫交变、抖动）调制的方式，可产生与机械抖动激光陀螺中抖动偏频相同的效果。

该技术方案的实现主要基于以下原理：

将顺时针光束回馈到顺时针光束、逆时针光束回馈到逆时针光束的条件下，激光陀螺的顺时针和逆时针光波间将会产生频率差[参考：Aronowitz F．Theory and Operation of a Traveling-Wave Laser. New York University, 1969.]：