[发明专利]光纤气体激光器和具有该激光器的光纤型环形激光陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤激光器和具有该激光器的光纤型环形激光陀螺仪，特别涉及一种光纤气体激光器和具有该激光器的光纤型环形激光陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是用于测量惯性坐标系中的转动的仪器。陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。在国民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠陀螺仪。即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。比如飞机在飞行中使旅客感到十分平稳和舒适是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统。随着列车提速，消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪。还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠全球定位系统(GPS)，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。

陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。其中，光学陀螺仪的工作原理是萨格纳克效应(Sagnac effect)。萨格纳克效应是指同一光源同一光路，两束反向传播光束之间的光程差或相位差与其光学系统相对于惯性空间旋转的角速度成正比的现象。

光学陀螺仪中一种重要的类型是环形激光陀螺仪(RLG)。其中，激光陀螺仪的主要部件是激光器。一般的激光器都是由三部分组成：激光工作物质、激励(泵浦)系统以及光学共振腔。用于激光陀螺仪的激光器需要做成环型腔结构。激光陀螺仪可分为内腔式和外腔式结构。请参见图1a和图1b，图1a示出了现有技术中的外腔式环形激光陀螺仪；图1b示出了现有技术中的内腔式环形激光陀螺仪。

图1a的外腔式结构中，是将一个氦氖放电管(增益管或叫放大器)7置于由三面镜子8构成的环形光学共振腔内。氦氖放大器7能在光学共振腔内产生沿相反方向传播的激光。陀螺仪转动的情况下，两束反向传播的激光束的光路和频率将存在差别，两束光的频率差和角速度之间的关系如下：

Δf=fcw-fccw=-4AλPΩ---(1)]]>

其中，λ是激光的波长，f_cw和f_ccw分别是顺时针激光束和逆时针激光束的频率，A是环型光路所包围的面积，P是光路的周长，Ω是转速。

如图1b所示，内腔式结构的增益介质充满整个环形腔，腔体是由在石英或其它低膨胀材料上打出存放激励气体的环形毛细孔道9和电极引入孔10，毛细孔道9也就是环型共振腔的光通路。介质膜反射镜8用光胶粘在高度抛光的腔体端面以形成低损耗共振腔。内腔式激光陀螺仪的两束反向传播的激光的频率差和角速度之间的关系如下也由式(1)给出。

为了实现高精度陀螺仪，无论对内腔式还是对外腔式结构，都需对其腔长进行精确控制从而使激光的平均频率(f_cw+f_ccw)/2稳定在最大增益处；需应用双阳极，共阴极结构以消除朗缪尔流动效应对陀螺性能的影响；需应用特殊的合光棱镜11使反向传输的两束激光形成干涉条纹并应用光探测器和后续电子电路来读取两束激光的频率差。

和机械陀螺仪相比，环形激光陀螺仪的优点是没有运动部件，因而对摇动、振动等很多误差源不是很敏感，并且修正误差的时间也很短。此外，环形激光陀螺仪还具有很大的线性动态范围(从低于0.01°/hr到1000°/hr)和数字(频率)式输出。但是，环形激光陀螺仪对环型腔体的制作和镜子的质量要求很高，其所采用的生产技术也是其它领域所不常采用的特殊技术，因此制造成本很高。