连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪论文和设计-刘正昊

全文摘要

本实用新型公开了一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，主要包括激光光源，共轭叠加态相位片、高品质因数光学谐振腔、模式匹配透镜‑棱镜组，压电陶瓷伺服系统和平衡差分探测器。通过构建并锁定光学谐振腔的结构，提取出角速度对携带轨道角动量的模式演化的影响，并转化为电信号输出。相比光纤陀螺仪，本实用新型采用轨道角动量模式在光学谐振腔的演化，替代了光在光纤中的传播，避免了光在光纤中传播时的损耗问题。本实用新型具有装置结构稳定、精度可优化空间大、数据读取方便等特点。本实用新型可以用于精密导航、定位、信号传感等。

主设计要求

1.一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，包括：双色激光光源、共轭叠加态相位片、第一与第二双色镜、光学谐振腔、光电探测器、模式匹配透镜-棱镜组、压电陶瓷伺服系统和平衡差分探测器；其中：所述双色激光光源输出信号光与参考光；一部分的信号光A1在经过共轭叠加态相位片之前的到达平衡差分探测器的第一光信号输入端；另一部分的信号光A2经过共轭叠加态相位片后射入第一双色镜；同时参考光也射入第一双色镜，信号光A2和参考光在第一双色镜上光轴达到完全重合，共同进入光学谐振腔，其中的参考光被第二双色镜反射进入光电探测器；光电探测器、压电陶瓷伺服系统及光学谐振腔依次连接；信号光A2从第二双色镜透射后通过模式匹配透镜-棱镜组与共轭叠加态相位片后到达平衡差分探测器的第二光信号输入端。

设计方案

1.一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，包括：双色激光光源、共轭叠加态相位片、第一与第二双色镜、光学谐振腔、光电探测器、模式匹配透镜-棱镜组、压电陶瓷伺服系统和平衡差分探测器；其中：

所述双色激光光源输出信号光与参考光；一部分的信号光A1在经过共轭叠加态相位片之前的到达平衡差分探测器的第一光信号输入端；另一部分的信号光A2经过共轭叠加态相位片后射入第一双色镜；同时参考光也射入第一双色镜，信号光A2和参考光在第一双色镜上光轴达到完全重合，共同进入光学谐振腔，其中的参考光被第二双色镜反射进入光电探测器；光电探测器、压电陶瓷伺服系统及光学谐振腔依次连接；信号光A2从第二双色镜透射后通过模式匹配透镜-棱镜组与共轭叠加态相位片后到达平衡差分探测器的第二光信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，所述模式匹配透镜-棱镜组包括：依次设置的道威棱镜、以及第一与第二模式匹配透镜；其中，信号光A2通过道威棱镜与第一模式匹配透镜后经共轭叠加态相位片射入第二模式匹配透镜。

3.根据权利要求2所述的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，还包括：第一与第二半波片、第一与第二偏振分束棱镜、单模光纤、以及第一、第二及第三反射镜；

所述信号光经过第一半波片后，竖直偏振部分也即信号光A1被第一偏振分束棱镜反射到达平衡差分探测器的第一光信号输入端；水平偏振部分也即信号光A2被第一偏振分束棱镜透射，进入共轭叠加态相位片，再全部透射出第二偏振分束棱镜进入第一双色镜；

从所述第二双色经透射的信号光A2依次经过第一反射镜、第二半波片、第二反射镜后、道威棱镜、第三反射镜、第一模式匹配透镜、第二偏振分束棱镜、共轭叠加态相位片、第二模式匹配透镜及单模光纤后到达平衡差分探测器的第二光信号输入端。

4.根据权利要求1所述的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，

所述压电陶瓷伺服系统包括：相互连接的压电陶瓷与压电陶瓷伺服器；所述压电陶瓷伺服器还与连接光电探测器连接，压电陶瓷设置在光学谐振腔上。

5.根据权利要求4所述的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，所述光学谐振腔包括两个腔镜；所述两个腔镜均为玻璃材质平凹面反射镜，两个凹面相对放置，平面相背放置，平面不镀膜，凹面镀双波长高反射膜；压电陶瓷中心部分挖空，并胶合在靠近第二双色镜的腔镜平面上。

6.根据权利要求1所述的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其特征在于，还包括：周期性光开关和锁相放大器；所述周期性光开关和锁相放大器接在同一个参考信号源上，锁相放大器还与平衡差分探测器的电信号输出端连接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及陀螺仪，尤其涉及一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是测量相对惯性参考系转动角速度的装置。光纤陀螺仪为其中一种商用产品。

光纤陀螺仪将单色光束一分为二，分别耦合进入一个光纤盘的相反环路方向，在输出端产生干涉条纹。由于萨格纳克(Sagnac G.)效应，当光纤盘在环路平面转动时，干涉条纹将会移动，其移动数量正比于转动的角速度和环路的面积。为了取得大的环路面积要使用长的光纤，这样在传播过程中将损耗一部分光强，由于量子噪声的存在，这将降低干涉条纹的可见度，从而限制进一步提高光纤陀螺仪的分辨率。在光纤中的损失是制约现今光纤陀螺仪分辨率的一个瓶颈，需要一种新的设计来避免光在传播中的损耗。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，具有装置结构稳定、精度可优化空间大、数据读取方便等优点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，包括：双色激光光源、共轭叠加态相位片、第一与第二双色镜、光学谐振腔、光电探测器、模式匹配透镜-棱镜组、压电陶瓷伺服系统和平衡差分探测器；其中：

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，采用轨道角动量模式在光学谐振腔的演化替代光在光纤中的传播，避免了光在光纤中传播时的损耗问题，并且可以通过输入更高的光强、增加腔镜的反射率和提高输入模式的轨道角动量数，实现更高的角速度分辨精度，上述陀螺仪可以应用于精密导航、定位、信号传感等。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的对于携带轨道角动量的光模式演化的示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪，其主要，包括：双色激光光源、共轭叠加态相位片、第一与第二双色镜、光学谐振腔、光电探测器、模式匹配透镜-棱镜组、压电陶瓷伺服系统和平衡差分探测器；其中：

本实用新型实施例中，所述模式匹配透镜-棱镜组包括：依次设置的道威棱镜、以及第一与第二模式匹配透镜；其中，信号光A2通过道威棱镜与第一模式匹配透镜后经共轭叠加态相位片射入第二模式匹配透镜。

本实用新型实施例中，还包括：第一与第二半波片、第一与第二偏振分束棱镜、单模光纤、以及第一、第二及第三反射镜；

本实用新型实施例中，所述压电陶瓷伺服系统包括：相互连接的压电陶瓷与压电陶瓷伺服器；所述压电陶瓷伺服器还与连接光电探测器连接，压电陶瓷设置在光学谐振腔上。

本实用新型实施例中，所述光学谐振腔包括两个腔镜；所述两个腔镜均为玻璃材质平凹面反射镜，两个凹面相对放置，平面相背放置，平面不镀膜，凹面镀双波长高反射膜；压电陶瓷中心部分挖空，并胶合在靠近第二双色镜的腔镜平面上。

示例性的，高反射膜，对于信号光的振幅反射率至少达到97％。

本实用新型实施例中，还包括：周期性光开关和锁相放大器；所述周期性光开关和锁相放大器接在同一个参考信号源上，锁相放大器还与平衡差分探测器的电信号输出端连接。

为了便于理解，下面结合附图对本实用新型提供上述陀螺仪结构及原理做进一步介绍。

一、陀螺仪结构。

如图1所示，其主要包括：信号光A、周期性光开关1、第一半波片2和第二半波片17、第一偏振分束棱镜3和第二偏振分束棱镜5、共轭叠加态相位片4、第一双色镜6和第二双色镜10、第一高反射率腔镜7和第二高反射率腔镜8、压电陶瓷9、参考激光光源11、压电陶瓷伺服器12、光电探测器13、第一～第三反射镜14-16、道威棱镜18、第一模式匹配透镜19和第二模式匹配透镜20、平衡差分探测器21以及锁相放大器22。

信号光A与参考光通过双色激光光源(图1中未示出)输出。图1中通过元件的实线代表信号光，虚线代表参考光。信号光经过半波片2调制为线偏振光，竖直偏振部分直接被偏振分束棱镜3反射，被平衡差分探测器21的上路(即第一光信号输入端)收集。水平偏振部分通过偏振分束棱镜3后，首次经过共轭叠加态相位片4，而后全部通过偏振分束棱镜5。第一双色镜6和第二双色镜10对信号光波长为增透，对参考光波长为高反射的。信号光和参考光在第一双色镜6上光轴达到完全重合，共同进入由第一高反射率腔镜7和第二高反射率腔镜8组成的谐振腔。在本实用新型实施例中，高反射率腔镜7和8都是玻璃材质平凹面反射镜，两个凹面相对放置、平面相背放置；平面不镀膜，凹面镀双波长高反射膜。压电陶瓷9中心部分为挖空的，使用502强力胶粘合在腔镜8的平面上，并由伺服器 12控制电压，从而调节相对位置。

参考激光光源11频率可调，将其调节到与携带高阶轨道角动量的信号激光在腔中有相同共振点的频率。由参考激光光源11发出而经过腔内的参考光携带频率调制边带，被双色镜10反射离开后续光路，被光电探测器13接收到。使用Pound-Drewer-Hall技术，伺服器12可以利用光电探测器13接收的光信号控制压电陶瓷9的伸缩，使谐振腔长度维持在信号光的共振点处。

第一～第三反射镜14-16引导，携带共轭叠加态轨道角动量的信号光模式，首先通过第二半波片17转换为竖直偏振的，而后被道威棱镜18转过一定角度，再次经过模式匹配透镜19达到最佳匹配后，在共轭叠加态相位片4上只有约一半的功率恢复到高斯模式，进而被第二模式匹配透镜20聚焦，进入一个单模光纤，被平衡差分探测器21的下路收集，而另一半功率对应的模式携带轨道角动量，不能被聚焦到一点，最终被单模光纤过滤。

周期性光开关1为带有通过窗口的圆形转盘，将转盘用电机驱动，并与一个参考信号保持频率与相位锁定，周期性光开关和锁相放大器有内同步装置，使得周期性光开关能够以参考信号的频率实现周期性的开\/关，在一个周期，只有一部分时间内信号光A可以通过周期性光开关输入系统，从而达到对入射信号光A施加一个周期性振幅调制的目的。同时将这个参考信号以及平衡差分探测器的输出电信号都输入锁相放大器，锁相放大器的结果是参考信号与平衡差分探测器输出的电信号(两个信号频率相同)的乘积，结果非零，对应了陀螺仪的读数；而由于环境噪声造成的抖动则没有明显的频率特征，从而平均得0而被消去，这样就达到了增加信噪比的目的。

此外，周期性光开关1和锁相放大器22可以在更长的周期内对于转速求平均值。周期性光开关是一个带有通过窗口的圆形转盘，将转盘用电机驱动，并与一个参考信号源保持频率与相位锁定，同时将这个参考信号源输入锁相放大器，即可在锁相放大器中读取经过数字化的，并且在一定周期平均平衡差分探测器输出的电信号。

此外，使用周期性光开关1和锁相放大器22的架构，在锁相放大器一侧由于提取了信号中频率与参考信号源相同部分的功率，因此对本光路中周期性光开关1之后，频率异于参考信号源的噪声有抑制作用。

本实用新型实施例中，周期性光开关1可以为电学开关或者机械开关，优选使用电学开关，每经过参考信号周期的一半，就颠倒平衡差分探测器输入锁相放大器信号的极性，可以进一步减小误差，提高探测精度。

二、工作原理

1、双色激光光源。

双色激光光源输出两种波长的激光，一种用于产生携带高阶轨道角动量的信号光，一种经电光调制后作为锁定谐振腔使用的参考光。两种波长的激光都与装置外部的超稳参考腔保持锁定，从而确保二者均具有稳定的频率。

2、共轭叠加态相位片。

所述共轭叠加态相位片为一种圆形的光学元件，其表面均匀划分为2l个顶角为π\/l的扇形，其中l为共轭叠加态相位片的阶数。每个扇形依次具有相对相位设计图

连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪论文和设计

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