專利名稱：標(biāo)度因子穩(wěn)定的固態(tài)激光陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度和角位置的固態(tài)激光陀螺儀。這種儀器特別用于航空應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在大約三十年前發(fā)展起來的激光陀螺儀目前具有廠泛的市場(chǎng)和應(yīng)用。它的工作原理是基于薩格奈克效應(yīng)(Sagnac effect)，包括在相對(duì)的方向傳播的兩個(gè)光學(xué)輻射模(optical emission modes)之間的頻率差Ω，光學(xué)輻射模也稱為在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下的雙向環(huán)形激光腔的相反傳播模。傳統(tǒng)的頻率差Ω滿足 其中S＝4A/λ·L其中S稱為激光陀螺儀的標(biāo)度因子。L和A被分別稱為激光腔光學(xué)長度和面積，λ為在沒有薩格奈克效應(yīng)下激光輻射的平均波長，且 為激光陀螺儀的角旋轉(zhuǎn)速度。
通過對(duì)兩束光振動(dòng)的光譜分析來獲得的對(duì)Ω的測(cè)量，可能以非常高的精度確定 值。
通過電學(xué)方法計(jì)算角度位置變化過程中移動(dòng)通過的振動(dòng)條紋(beat fringes)，也可確定設(shè)備角度位置的相對(duì)值。
確定激光陀螺儀性能的一個(gè)因素是它的標(biāo)度因子S的穩(wěn)定穩(wěn)定性。
在氦/氖型氣體激光器中包括激光腔和由氦氖氣體混合形成的放大介質(zhì)，標(biāo)度因子的溫度穩(wěn)定性取決于波長、激光腔的光學(xué)長度和面積的綜合穩(wěn)定性。激光腔面積的穩(wěn)定性是通過使用由非常小的膨脹系數(shù)如Zerodur的材料形成的切片的腔支撐物來獲得的。激光波長的穩(wěn)定性是由原子輻射波長的穩(wěn)定性決定的。腔的光學(xué)長度取決于腔的長度和隨溫度變化的光學(xué)指數(shù)。它的穩(wěn)定性通過控制腔的長度對(duì)應(yīng)于所用的原子譜線來保證?？刂剖怯蓧弘娦ㄑb置(piezoelectric wedge)實(shí)現(xiàn)的，誤差信號(hào)由激光發(fā)射的光強(qiáng)提供。
然而，放大介質(zhì)的氣態(tài)本性是激光陀螺儀制造過程中技術(shù)復(fù)雜的原因，特別是所需的高氣體純度。再者，它導(dǎo)致激光過早磨損，這種磨損特別是由于氣體泄漏，電極損壞以及使用的用于建立粒子群反轉(zhuǎn)的高電壓。
目前，可以制造在可見光或近紅外工作的固態(tài)激光陀螺儀，例如通過使用如攙釹(neodymium-doped)的YAG(釔鋁石榴石Yttrium-Aluminium-Garnet)晶體代替氦氖氣體混合物，光學(xué)泵作用是由激光工作在近紅外的激光二極管實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體材料、晶體矩陣或攙屬于稀土族(鉺、釔等)離子的玻璃也可用于放大介質(zhì)。放大介質(zhì)氣態(tài)的所有內(nèi)在問題實(shí)際上可以被消除。
然而，激光器中的放大介質(zhì)不再是氣體而是固態(tài)，標(biāo)度因子的穩(wěn)定性不能由用于氣體激光器的處理方法保證。
特別是，放大介質(zhì)增益曲線的最大值頻率隨溫度變化有很大的變化。例如釹/YAG型激光器在-50度和+100度的溫度范圍內(nèi)、在波長1.06微米時(shí)，頻率變化等于-1.3千兆赫/度。
已知激光腔的自由光譜間隔對(duì)應(yīng)于能分開在腔內(nèi)振蕩的兩個(gè)頻率的光譜間隔。它等用c/L，c為真空中的光速。事實(shí)上，在傳統(tǒng)尺寸的腔的情況下，也就是說光學(xué)長度L等于幾十厘米，在固態(tài)激光器情況下，增益曲線的光譜寬度相對(duì)于自由光譜間隔很大。典型的增益曲線光譜寬度代表幾十個(gè)自由光譜間隔。在這些條件下，由于這些變化不再有顯著意義，當(dāng)長度L改變時(shí)，不再可能建立該腔的長度的控制，且將增益曲線的變化作為誤差信號(hào)。
而且，光學(xué)長度隨溫度的變化在固體比在氣體更大。實(shí)際上，由于溫度造成的幾何長度的變化與光學(xué)指數(shù)的變化混合作用，這種變化在濃密介質(zhì)中非常大。結(jié)果，更難以使用標(biāo)準(zhǔn)的壓電楔對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償。
為了避免需要溫度補(bǔ)償標(biāo)度因子，在激光腔上設(shè)置溫度傳感器可以用于確定溫度，然后，根據(jù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)應(yīng)于測(cè)量溫度的標(biāo)度因子的變化可由此推導(dǎo)出。也可以在角度旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算中引進(jìn)這種變化。然而，經(jīng)驗(yàn)證明，模型目前不足夠精確，不能獲得滿意的精度。
在固態(tài)激光腔領(lǐng)域，美國專利US 6614818提出一種光學(xué)結(jié)構(gòu)，其通過整體補(bǔ)償溫度漂移而沒有模跳來保護(hù)輻射模。該結(jié)構(gòu)基于對(duì)輻射模數(shù)n的保護(hù)，n由下式給出n≈v.Lc]]>其中v為激光器的放大介質(zhì)增益曲線最大值的頻率，L為腔的光學(xué)長度。
為了保護(hù)該模數(shù)，使它滿足作為溫度函數(shù)的變化應(yīng)為零，由此產(chǎn)生下面的數(shù)學(xué)關(guān)系1v·dvdT+1L·dLdT=0]]>當(dāng)它代表補(bǔ)償標(biāo)度因子的變化時(shí)，這種關(guān)系不能應(yīng)用，這與保護(hù)輻射模頻率是不同的問題。特別是，在保護(hù)標(biāo)度因子的同時(shí)可能有輻射模跳。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于標(biāo)度因子整體保護(hù)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，每個(gè)參數(shù)能隨溫度改變。
更精確地說，本發(fā)明的主題是一種激光陀螺儀，其包括光學(xué)長度為L、面積為A的至少一個(gè)環(huán)形腔以及固態(tài)介質(zhì)，上述參數(shù)設(shè)計(jì)成以下方式，即平均波長λ的兩個(gè)光學(xué)波在腔內(nèi)相對(duì)的方向傳播，激光陀螺儀的標(biāo)度因子S等于 其特征在于，平均波長λ的變化、作為溫度T的函數(shù)的面積A和光學(xué)長度為L的數(shù)量的變化使標(biāo)度因子S隨著溫度T的變化保持基本恒定。
有利地，腔具有幾何周長L0，所述腔包括至少一個(gè)光學(xué)元件i，i是從1到光學(xué)元件的所有數(shù)量之間的整數(shù)指數(shù)，光學(xué)元件i的長度為Li，光學(xué)指數(shù)為ni，xi等用比率 為光學(xué)元件i的光學(xué)指數(shù)ni作為溫度T的函數(shù)的系數(shù)變化，αi為光學(xué)元件i的線性膨脹系數(shù)，α0為光學(xué)元件i的用于支撐腔的材料的線性膨脹系數(shù)，v為放大介質(zhì)的中心輻射頻率，且 為所述頻率作為溫度函數(shù)的系數(shù)變化，所述光學(xué)元件和放大介質(zhì)設(shè)計(jì)為基本滿足下列關(guān)系(2·α0+1v·dvdT)[1+Σi(ni-1)xi]-α0-Σi(ni-1)xi·αi-ΣidnidTxi=0]]>有利地，為防止光學(xué)模跳發(fā)生，光學(xué)元件和放大介質(zhì)設(shè)計(jì)為基本且同時(shí)滿足下列關(guān)系α0=-1v·dvdT]]>以及Σi[dnidT-(ni-1)·(α0-αi)]xi=0]]>最后，腔包括至少一種材料，其中作為T的函數(shù)的光學(xué)指數(shù)的系數(shù)變化是負(fù)的。并且，腔包括至少一個(gè)和多個(gè)溫度傳感器，而且，激光陀螺儀可以包括與所述溫度傳感器相連的電子處理單元，這使得計(jì)算作為標(biāo)度因子溫度函數(shù)的剩余變化成為可能。
本發(fā)明還涉及一種角速度或角測(cè)量系統(tǒng)，其包括如前所述的至少一個(gè)激光陀螺儀。該系統(tǒng)包括三個(gè)激光陀螺儀，將激光陀螺儀腔定向，從而在三個(gè)獨(dú)立方向進(jìn)行測(cè)量。


通過閱讀以下描述，并非限制，且結(jié)合附圖1，可以更好地理解本發(fā)明，且本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)也變得更加清楚，其中，圖1表示根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的基本圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀的基本圖。它包括·腔1由第一材料制成，且包括幾個(gè)反射鏡2、3和4，以及部分反射鏡5；·放大介質(zhì)6；·至少一個(gè)長度為L7的光學(xué)元件7；·總的組件設(shè)計(jì)為，兩個(gè)光學(xué)波能在腔內(nèi)兩個(gè)相對(duì)方向傳播。這兩個(gè)波在圖1中由雙線表示。這些波經(jīng)過設(shè)置在腔內(nèi)的不同光學(xué)元件。
·以及由點(diǎn)劃線表示的光電測(cè)量設(shè)備8(an opto-electronicmeasurement)，使得基于從部分反射鏡5來的兩個(gè)相反傳播的波的干涉圖形的基礎(chǔ)上的測(cè)量值計(jì)算角參數(shù)成為可能。
如上所述，具有與前注釋相同的激光陀螺儀的標(biāo)度因子S滿足S＝4A/λ.L。
可以用相關(guān)的頻率v代替波長λ?？梢垣@得標(biāo)度因子新的表達(dá)方式，其現(xiàn)在等于S=4A.vc.L]]>系數(shù)H等于H=AL02,]]>其中L0為腔的幾何周長，H被稱為展弦比(aspect ratio)。
H是基本獨(dú)立于溫度的無量綱參數(shù)。如果由腔得到的外部限定與后者對(duì)稱就特別滿足上述條件。表達(dá)式中的A再被HL02I替換得到S為S=4H.L02.vc.L]]>腔包括指數(shù)為i的n個(gè)光學(xué)元件，i是從1到光學(xué)元件的所有數(shù)量n之間變化的整數(shù)指數(shù)，每個(gè)光學(xué)元件i的長度為Li，光學(xué)指數(shù)為ni，所以，下列關(guān)系成立L=L0+Σi(ni-1).Li]]>標(biāo)度因子S新的表達(dá)式可以寫為S=4H.L02.vc.(L0+Σi(ni-1)Li)]]>標(biāo)度因子S作為溫度函數(shù)的溫度條件可以寫為dSdT=0]]>或(2L0dL0dTv+L02dvdT)[L0+Σi(ni-1)Li]-L02·v·(dL0dT+Σi(ni-1)dLidT+ΣidnidT·Li)=0]]>在除以v.L03后，得到(2L0dL0dT+1vdvdT)[1+Σi(ni-1)LiL0]-1L0dL0dT-Σini-1L0dLidT-ΣidnidTLiL0=0]]>
代入xi=LiL0,]]>得到下式(2L0dL0dT+1vdvdT)[1+Σi(ni-1)xi]-1L0dL0dT-Σi(ni-1)xiLidLidT-ΣidnidTxi=0]]>不同光學(xué)元件的膨脹系數(shù)等于αi=1LidLidT.]]>通過將它們引入上述表達(dá)式，可得到下式(2α0+1vdvdT)[1+Σi(ni-1)xi]-α0-Σi(ni-1)xiαi-ΣidnidTxi=0]]>如權(quán)利要求中所請(qǐng)求的表達(dá)式，稱為關(guān)系式1。
在簡單情況下，腔僅包括一個(gè)光學(xué)元件，該光學(xué)元件起到放大介質(zhì)的作用，所述元件具有光學(xué)指數(shù)n，全長L和膨脹系數(shù)α，上述關(guān)系現(xiàn)在可以寫為(2α0+1vdvdT)[1+(n-1)x]-α0-(n-1)αx-dndTx=0]]>這時(shí)，x因此等于x=α0+1vdvdTdndT+(n-1)(α-2α0-1vdvdT)]]>借助舉例方式，如果放大介質(zhì)是工作在1.06微米波長的釹/YAG，那么·光學(xué)指數(shù)等于1.82；·線性膨脹系數(shù)α等于每度7.6ppm，ppm表示百萬分之一。
·作為溫度函數(shù)的光學(xué)指數(shù)的系數(shù)變化等于每度7.3ppm·頻率的系數(shù)變化 等于每度-4.6ppm；·且x表示出現(xiàn)在腔中的放大介質(zhì)百分比。
這時(shí)，x等于x=α0-4.617.3-1.64α0]]>x須位于0和1之間。因此，這能夠使得材料的膨脹系數(shù)α0應(yīng)當(dāng)滿足
4.6ppm.K-1＜α0＜8.3ppm.K-1，因?yàn)檫@樣才可以得到釹-YAG的適當(dāng)長度，從而能使標(biāo)度因子幾乎獨(dú)立于溫度。
上述關(guān)系式1可能保持恒定的標(biāo)度因子。對(duì)于某些應(yīng)用，可以有利于避免由于模跳造成的激光陀螺儀操作干擾，且保護(hù)溫度獨(dú)立的發(fā)射模的數(shù)，因此產(chǎn)生下述數(shù)學(xué)關(guān)系1v·dvdT+1L·dLdT=0]]>通過使用如前相同的注釋，此關(guān)系式也可寫為[L0+Σi(ni-1)Li]1vdvdT+dL0dT+ΣidnidTLi+Σi(ni-1)dLidT=0]]>在除以L0后，變?yōu)閇1+Σi(ni-1)xi]1vdvdT+α0+ΣidnidTxi+Σi(ni-1)xiαi=0]]>后面的關(guān)系式稱為關(guān)系式2。
關(guān)系式1和2的條件應(yīng)同時(shí)滿足α0=-1v·dvdTΣi[dnidT-(ni-1)(α0-αi)]xi=0]]>這些條件稱為關(guān)系式3和4。
如果腔只包括單一光學(xué)元件，不必滿足上述關(guān)系式3和4。如果腔包括至少兩個(gè)光學(xué)元件，很容易同時(shí)滿足這兩個(gè)關(guān)系。實(shí)際上，有兩個(gè)光學(xué)元件時(shí)，關(guān)系式3和4可以寫為α0=-1v·dvdT[dn1dT-(n1-1)(α0-α1)]x1+[dn2dT-(n2-1)(α0-α2)]x2=0]]>通過舉例的方式，如果材料1是Nd:YAG，作為放大介質(zhì)，條件3和4變?yōu)?amp;alpha;0=4.6ppm.K-19.76.x1+[dn2dT-(n2-1)(α0-α2)]x2=0]]>由于這個(gè)膨脹系數(shù)是典型的標(biāo)準(zhǔn)硼硅酸鹽型玻璃，找到滿足條件3的材料是可能的。
x1和x2須是正的，關(guān)系式4的意味著dn2dT-(n2-1)(4.6-α2)<0]]>該條件對(duì)于一些玻璃可以滿足。通過非限制性實(shí)施例，肖特公司(Schott company)參考玻璃PK51A的特性是α2＝12.7ppm.K-1dn2/dT＝-7ppm.K-1n2＝1.5并且，所以，dn2dT-(n2-1)(4.6-α2)=-3ppm.K-1]]>因此滿足上述條件。
對(duì)于該參考玻璃為PK51A，關(guān)系式4可以寫為9.76·x1-3·x2＝0或x1/x2＝0.3例如，如果用于放大的YAG棒長度為5厘米，那么16厘米的PK51A棒允許熱量補(bǔ)償，腔本身由膨脹系數(shù)等于4.6ppm.K-1的材料制成，其為玻璃的典型代表。
因此，對(duì)材料的合理選擇可以大量補(bǔ)償溫度漂移，對(duì)標(biāo)度因子和光學(xué)模起作用。
當(dāng)然，在膨脹系數(shù)或作為溫度函數(shù)的光學(xué)指數(shù)的系數(shù)變化不是完美線性的情況下，且溫度在腔外殼內(nèi)不均勻分布的情況下，可能通過數(shù)學(xué)模型的方式改善激光陀螺儀標(biāo)度因子的測(cè)量，其中該數(shù)學(xué)模型決定了作為熱量變化參數(shù)的標(biāo)度因子的很小變化。這時(shí)，溫度傳感器被放置在腔外殼內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的激光陀螺儀能應(yīng)用到任何角速度或角測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)特別地包括三個(gè)激光陀螺儀，其腔被定向，以能在三個(gè)不同方向進(jìn)行測(cè)量，因而可以確定位置或速度的三個(gè)角分量是可能的。
權(quán)利要求
1.一種激光陀螺儀，包括光學(xué)長度為L、面積為A的至少一個(gè)環(huán)形腔以及固態(tài)放大介質(zhì)，它們?cè)O(shè)計(jì)成以下方式，即平均波長為λ的兩個(gè)光學(xué)波在腔內(nèi)相對(duì)的方向傳播，該激光陀螺儀的標(biāo)度因子S等于 其特征在于，平均波長λ的變化、作為溫度T的函數(shù)的面積A和光學(xué)長度L的數(shù)量變化使標(biāo)度因子S隨著溫度T的改變基本保持恒定。
2.如權(quán)利要求1所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述腔具有幾何周長L0，所述腔包括至少一個(gè)由光學(xué)波橫穿的光學(xué)元件，i是從1到光學(xué)元件的所有數(shù)量之間變化的整數(shù)指數(shù)，光學(xué)元件i的長度為Li，光學(xué)指數(shù)為ni，xi等于比率 為光學(xué)元件i的光學(xué)指數(shù)ni的溫度T的函數(shù)的系數(shù)變化，αi為光學(xué)元件i的線性膨脹系數(shù)，α0為腔的構(gòu)成材料的線性膨脹系數(shù)，v為放大介質(zhì)的中心輻射頻率，且 為所述頻率作為溫度函數(shù)的系數(shù)變化，所述光學(xué)元件和放大介質(zhì)設(shè)計(jì)為基本滿足下列關(guān)系(2.α0+1v·dvdT)[1+Σi(ni-1)xi]-α0-Σi(ni-1)xi·αi-ΣidnidTxi=0.]]>
3.如權(quán)利要求2所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述光學(xué)元件和放大介質(zhì)設(shè)計(jì)為基本和同時(shí)滿足下列關(guān)系α0=-1v·dvdT]]>和Σi[dnidT-(ni-1)(α0-αi)]xi=0.]]>
4.如前述權(quán)利要求之一所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述腔包括至少一種材料，該材料作為T的函數(shù)的光學(xué)指數(shù)的系數(shù)變化是負(fù)的。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的激光陀螺儀，其特征在于，所述腔包括至少一個(gè)溫度傳感器，且該激光陀螺儀包括與所述溫度傳感器相連的關(guān)聯(lián)電子處理單元，這使得能夠計(jì)算作為標(biāo)度因子溫度的函數(shù)的剩余變化。
6.一種角速度或角測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括如前述任一權(quán)利要求所述的至少一個(gè)激光陀螺儀。
7.如權(quán)利要求6所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括三個(gè)激光陀螺儀，其腔被定向，以在三個(gè)獨(dú)立方向進(jìn)行測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)速度和角位置的固態(tài)激光陀螺儀，特別是用于航空工程領(lǐng)域。陀螺儀的性能取決于標(biāo)度因子(S)的穩(wěn)定性，標(biāo)度因子為4A/λ·L，其中L和A分別是激光腔的長度和面積，且λ為沒有薩格奈克效應(yīng)的激光輻射平均波長。對(duì)于傳統(tǒng)的氣體激光器，標(biāo)度因子的每個(gè)參數(shù)是以溫度獨(dú)立的方式選擇的。固態(tài)激光器非常不同于氣體激光器，也不能以同樣的方式對(duì)待。本發(fā)明基于標(biāo)度因子的整體保護(hù)提供激光腔光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)參數(shù)是溫度的變量。本發(fā)明公開的這種結(jié)構(gòu)可以避免光學(xué)模跳，還公開了用以證明本發(fā)明原理可應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)材料的幾個(gè)數(shù)字實(shí)例。
文檔編號(hào)G01C19/66GK101036035SQ200580034328
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2005年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者G·弗加內(nèi)特, S·施瓦茲, J-P·波紹利, C·克里斯蒂安, F·古提 申請(qǐng)人:泰勒斯公司