[发明专利]具有正交反向传播模式的固体激光陀螺仪

说明书

技术领域

本发明的领域是尤其适用于惯性控制器的固体激光陀螺仪的领域。例如，这种类型的装置可用于航空应用中。

背景技术

激光陀螺仪，大约研制于30年前，目前以商业规模广泛应用。它的工作原理是基于赛格纳克(Sagnac)效应，该效应令在进行旋转运动的双向激光环形腔内反向传播的两种光传输模式，称为反向传播模式，之间产生频率差Δv。通常，旋转运动引起的两种光模式间的频率差Δv等于：

Δv＝4AΩ/λL

其中，L和A分别为腔的长度和面积；λ为排除赛格纳克效应的激光发射波长；Ω为装置的旋转速度。通过测量Δv，通过两束出射光之间的差拍的光谱分析获得，可以非常精确地确定Ω的值。使用一种用于激光陀螺仪的典型的条纹计数装置，基于差拍信号，确定系统的相对角位置。

在标准激光陀螺仪中，放大介质为适当比例的氦氖原子气体介质。但是，在制造激光陀螺仪时，放大介质的气体性质成为技术复杂性的根源，主要原因是所要求的高气体纯度和使用过程中腔体的过早磨损，尤其是由于气体泄漏和建立粒子数反转的高压电极的退化。

可以制造工作在可见光或近红外区的固体激光陀螺仪，使用例如基于掺杂稀土元素(如钕，铒或镱)离子的晶体放大介质代替氦/氖气体混合物，通过工作在近红外区的激光二极管提供光泵浦。这样，就事实上排除了放大介质的气体特性的所有固有问题。

可是，此类型的激光陀螺仪的结构具有某些技术难点，某种程度上是由于反向传播的波在放大介质内干涉的事实。

这是因为，如果放大介质是Nd:YAG类型结晶固体，可以证明，在这种介质中，增益介质中受激辐射引起的粒子数反转光栅具有令双向发射失稳的效应。另外，当激光陀螺仪旋转的时候，这些光栅成为运动光栅，通过多普勒效应引起在激光腔内传播的两束反向传播的波之间的频率偏移，从而增加激光陀螺仪的频率响应的非线性度。

也可以使用具有VECSEL(垂直外腔面发射激光器)类型垂直结构的半导体作为放大介质。VECSEL主要包括构成增益区的一堆活动量子井区。增益区可以具有约100微米的直径，接近腔内传播的光束的尺寸，还允许非制导波的传播，就这一点而言，垂直结构的使用对于陀螺仪应用是有利的。可是，这种设备在传输中的使用是被排除的。这是因为垂直结构的活动量子井区必须具有与此结构中两束反向传播的波干涉形成的光栅相等的节距以使增益最优化。当激光陀螺仪运行的时候，光学光栅不能自由移动，因为它的最大值，也称为波腹，必须保持在增益区内。这种情况下，会产生“增益所致的锁频”，事实上这种锁频使得装置不能用作激光陀螺仪。

发明内容

根据本发明的结构特别有利于晶体固体激光陀螺仪的运转，如果可以的话也有利于在传输中使用的具有VECSEL型半导体放大介质的激光陀螺仪的运转。

更精确地，本发明的一个主题是激光陀螺仪，其包括被安排成令第一和第二光波可以在腔内反向传播的至少一个环形光学腔和固体放大介质，其特征在于，所述的环形光学腔包括：

第一光学装置，用于在包含放大介质的区域外在两个反向传播的光波上产生共同的第一线性偏振态；以及

第二光学装置，用于在包含放大介质的区域内在第一光波上产生第二线性偏振态并在第二光波上产生第三线性偏振态，第三偏振态与第二偏振态正交。

有利地，第二光学装置包括两个法拉第旋转器，第一个置于放大介质的入口处，第二个置于放大介质的出口处，第一个旋转器使偏振态沿第一方向旋转45°，第二个旋转器使偏振态沿相反方向旋转45°。

有利地，激光陀螺仪包括用于周期性转换法拉第旋转器的旋转角符号的装置。

有利地，第一光学装置包括至少一个线性偏振器。第一装置也可以包括用于在两个反向传播的光波之间引入单向光相移的光学装置。所述的腔可以包括用于测量温度的装置和用于根据所述的温度测量结果改变相移值的装置。

必要时，第一光学装置包括用于稳定差拍状态中的强度的设备，例如，如专利申请FR 03/03645或FR 03/14598所述的。

可以将具有互补作用的光学装置，如波片或旋转器，插入到腔中以最小化或消除当激光偏振面与镜子的s面和p面不一致时激光腔镜可能引起的不需要的相移效应。

放大介质可以是晶体介质，例如Nd:YAG型，或具有VECSEL型垂直结构的半导体介质。

本发明也涉及角度测量或角速度测量系统，其包括至少一个上述激光陀螺仪。有利地，该系统包括三个激光陀螺仪，激光陀螺仪的腔体是定向的以在三个独立方向进行测量。

附图说明