[发明专利]激光陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术，尤其是涉及激光陀螺。

背景技术

自上世纪60年代以来，激光陀螺已经在国防和民用领域发挥了巨大作用，它是迄今为止在惯性技术领域唯一真正获得实际应用的非机电式的高精度惯性敏感仪表。相比于常规机电陀螺，激光陀螺具有可靠性高、寿命长、精度高成本低等特点。目前，世界各国空军都把激光陀螺作为空军系统用于定位导航的标准设备，而各种大中型民航客机上也都装备了激光陀螺惯性基准系统，同时激光设备已开始向舰船和陆地设备上发展。

目前激光陀螺都是以萨格纳克(Sagnac)效应为基本原理，即在任意几何形状的环形腔中，从某一观察点出发的一对激光光束沿相反方向运行一周后回到该点时，此时这对光束的相位差或光程差的大小和闭合光路的转动速率成正比。激光陀螺通过测量激光光束在环形腔中沿顺时针(CW)方向旋转与沿逆时针(CCW)方向旋转时的频率差来确定其旋转角速度。具体公式为：

Δf=4AλPΩ---(1)]]>

其中Δf表示测量到的频差，A为环形腔所包围的面积，λ为激光的波长，P为环形腔所包围区域的周长，Ω为环形腔的旋转角速度。

通过对上述公式(1)进行变形可得到公式(2)，即得到了角速度测量灵敏度的表达式。

δΩ=λP4Aδf---(2)]]>

其中δf为激光分别在顺时针方向上旋转的频率和在逆时针方向上旋转的频率之间的差值。从公式(2)中可以得知，要提高角速度测量灵敏度，应使用包含尽可能大区域的环形腔、尽可能短的激光波长，以及尽可能窄的激光线宽。

图1为激光陀螺的原理图。在图1中，激光器101输出的激光光束通过隔离器102、半波片103后进入偏振分光棱镜(Polarizing Beam Splitter，简称：PBS)104，PBS 104将激光光束分为反射光束和透射光束。其中反射光束通过分光棱镜105分为反射部分和透射部分，反射部分进入分光棱镜120以用于拍频测量，透射部分进入电光调制器106，电光调制器106利用信号源107提供的本振信号对透射部分进行调制，并将调制后的激光信号由全反射镜M1进行全反射，并通过全反射镜M5进入自由空间环形腔122并沿逆时针方向旋转，沿逆时针方向旋转的激光信号的透射光从M5出射进入光电探测器108，光电探测器108将激光信号转换为电信号，混频器109将光电探测器108转换的电信号与信号源107产生的本振信号混频后经伺服系统110控制自由空间环形腔122上的压电陶瓷111。同时PBS 104提供的透射光束经过声光调制器112、113后，分别经由全反射镜M2和M3进行全反射。分光棱镜120将全反射镜M2全反射的激光光束和由分光棱镜105提供的反射部分进行合束后提供给光电检测器121以进行拍频测量，电光调制器114利用信号源115产生的本振信号对全反射镜M3进行全反射的激光信号进行调制。电光调制器114将调制后的激光信号通过全反射镜M4进行全反射，并通过全反射镜M6进入自由空间环形腔122并沿顺时针方向旋转，沿顺时针方向旋转的激光信号的透射光从M6进入光电探测器116，光电探测器116将激光信号转换为电信号，混频器117将光电探测器116提供的电信号与信号源115产生的本振信号混频后经伺服系统118控制压控振荡器119的输出频率，并将压控振荡器119的输出频率提供给声光调制器112。通过测量激光光束在环形腔中分别沿顺时针方向旋转与沿逆时针方向旋转时的频率差，可以确定激光陀螺的旋转角速度。