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基于高k氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，其由激光器、分束器、相位調(diào)制器、環(huán)形共振器、三角棱鏡、氟化物楔形腔、探測(cè)器、鎖相放大器、PI電路、加法器、高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、隔離器構(gòu)成。PI電路對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制使得從A、B探測(cè)器輸出的信號(hào)中提取出能反應(yīng)載體旋轉(zhuǎn)角速率的物理量，并且根據(jù)該物理量分別改變控制光源出射光的頻率和相位調(diào)制器的調(diào)制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的反饋，最終達(dá)到使在氟化物楔形腔中順逆時(shí)針傳播的光路都諧振的目的。
【專利說明】基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陀螺【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種角速率測(cè)量裝置，具體地說是指一種以Sagnac效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種光在閉合光路中傳輸?shù)姆绞?使用氟化物楔形腔,利用多光束干涉實(shí)現(xiàn)測(cè)量角速度的諧振式光學(xué)陀螺，具體是一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺。

【背景技術(shù)】
[0002]陀螺慣性器件作為慣導(dǎo)系統(tǒng)中的核心部件，在國(guó)土防空、艦船、潛艇的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)彈軌道控制、飛行器自主導(dǎo)航等陸、海、空、天制導(dǎo)、導(dǎo)航及控制【技術(shù)領(lǐng)域】以及衛(wèi)星姿態(tài)控制、攝像機(jī)穩(wěn)瞄穩(wěn)像、大地測(cè)量、資源勘測(cè)、機(jī)器人、電子消費(fèi)品等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用背景，其發(fā)展對(duì)一個(gè)國(guó)家的國(guó)防事業(yè)、基礎(chǔ)工業(yè)以及高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。
[0003]目前，陀螺慣性器件主要有傳統(tǒng)機(jī)械陀螺、光學(xué)陀螺(光纖陀螺、激光陀螺)、微機(jī)械(MEMS)陀螺等類型。傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺儀適用于大載體高精度的慣性導(dǎo)航，但普遍存在體積大、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、存在可動(dòng)部件等問題，無法滿足深空探測(cè)、構(gòu)建深空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷阅芊€(wěn)定、功耗低、體積小等要求，以及微型化、隱身化武器裝備作戰(zhàn)使用要求，難以實(shí)現(xiàn)“靈便型”測(cè)量系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺儀近年來受到人們廣泛關(guān)注，發(fā)展非常迅速，微陀螺的性能、精度及可靠性逐步提高，但尚未取得根本突破，沒有像微加速度計(jì)那樣在市場(chǎng)上大量應(yīng)用。微機(jī)械慣性器件隨著器件的微小化，其質(zhì)量和動(dòng)量也隨之急劇減小，其靈敏度和分辨率等指標(biāo)的提高已達(dá)到檢測(cè)極限狀態(tài)。光學(xué)陀螺儀具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代導(dǎo)航儀器中不可或缺的關(guān)鍵部分。但光纖陀螺儀需要較為復(fù)雜的光電信號(hào)處理，成本較高，受溫度等環(huán)境條件變化影響大，且不易集成。
[0004]隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和高新技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代慣性導(dǎo)航系統(tǒng)改變了發(fā)展方向，對(duì)慣性器件提出了更高的要求。慣性器件須在保證高精度的同時(shí)，更要求具備體積小、重量輕、功耗低、可罪性聞、易于集成等特點(diǎn)。因此，具有聞精度、聞靈敏度、聞可靠性的諧振式光學(xué)陀螺成為了重要的發(fā)展方向。
[0005]陀螺是用于測(cè)量角速率和角加速度變化的裝置。陀螺的主要原理是Sagnac效應(yīng)，在慣性空間中，Sagnac效應(yīng)可以描述為:通過檢測(cè)諧振腔內(nèi)順時(shí)針和逆時(shí)針傳播光束輸出的頻率差來實(shí)現(xiàn)諧振腔旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)試。當(dāng)諧振腔靜止時(shí)，兩束光光波頻率相同，頻差為零；當(dāng)諧振腔轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩束相反方向傳播光光波頻率發(fā)生變化，而且兩束光的頻差與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，其表達(dá)式為:Λ f=4A Ω/AL= ?Ω/λ (Α為諧振腔的面積，D為諧振腔的直徑，L為諧振腔的周長(zhǎng)，4A/XL為陀螺的標(biāo)度因子)，故測(cè)出Λ f，就可以知道旋轉(zhuǎn)角速率Ω的值。
[0006] 諧振式光學(xué)陀螺是一種新型的角速度傳感器，與機(jī)械陀螺相比，具有全固態(tài)，對(duì)中立不敏感、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)；與環(huán)形激光陀螺相比，具有無高電壓電源、無機(jī)械抖動(dòng)的特點(diǎn)，另外，還具有重量輕、小體積、高靈敏度、低成本、高可靠性、低功耗等特點(diǎn)；與干涉式光纖陀螺相比，可減小由多匝線圈纏繞引起的溫度效應(yīng)和Shupe誤差，采用高相干光源波長(zhǎng)穩(wěn)定性高、檢測(cè)精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。
[0007]諧振很窄的單頻激光在諧振式光纖陀螺中傳播，會(huì)改變光纖線芯的折射率，從而引起Kerr效應(yīng)。順、逆時(shí)針兩束光的光強(qiáng)不匹配也可以造成頻率誤差，從而印象真正陀螺信號(hào)檢測(cè)頻差的精度。當(dāng)諧振腔的精細(xì)度很高光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，會(huì)使得石英光纖發(fā)生手機(jī)輻射，造成布里淵散射，而這種受激輻射會(huì)使得諧振頻率測(cè)量及其不穩(wěn)定。在光纖諧振腔中，把這種經(jīng)過一次循環(huán)而不改變其偏振狀態(tài)的的性質(zhì)稱為偏振的本征狀態(tài)。通常，環(huán)境中的溫度變化或者外界振動(dòng)等因素的變化都會(huì)引起一個(gè)由偏振本征態(tài)對(duì)應(yīng)的使諧振峰峰值位置的相對(duì)變化，從而引起由偏振波動(dòng)造成的頻率差，這將會(huì)直接影響陀螺旋轉(zhuǎn)角速度的測(cè)量。
[0008]在傳統(tǒng)的諧振腔選取中，諧振腔材料大部分使用二氧化硅，因?yàn)镾12具有良好的絕緣性能及穩(wěn)定的二氧化硅-硅襯底界面，然而由于由二氧化硅制備的諧振腔Q值低，尺寸也只能做到幾十um量級(jí)，無法滿足陀螺導(dǎo)航級(jí)的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提供一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺。
[0010]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺,包括集成在娃基板上的激光器、分束器、A相位調(diào)制器、B相位調(diào)制器、A環(huán)形共振器、B環(huán)形共振器、三角棱鏡、氟化物楔形腔、A探測(cè)器、A鎖相放大器、PI電路(即增益積分電路)、加法器、高壓放大器、C信號(hào)發(fā)生器、A信號(hào)發(fā)生器、B探測(cè)器、B信號(hào)發(fā)生器、B鎖相放大器、隔離器；A信號(hào)發(fā)生器、B信號(hào)發(fā)生器、C信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)相同；A相位調(diào)制器、B相位調(diào)制器結(jié)構(gòu)相同，但在調(diào)制過程中設(shè)置的調(diào)制頻率不同4探測(cè)器、B探測(cè)器結(jié)構(gòu)相同；氟化物楔形腔是指用精度為0.9999以上的氟化物晶體制作而成的、且周緣為楔形設(shè)計(jì)的圓盤；
其中，A相位調(diào)制器和B相位調(diào)制器上下布置于硅基板的中心位置，A、B相位調(diào)制器的右邊布置上下分布的A環(huán)形共振器和B環(huán)形共振器；A、B相位調(diào)制器的左邊由左至右依次布置激光器、隔離器和分束器，A、B環(huán)形共振器的右邊由左至右依次布置三角棱鏡和氟化物楔形腔；A相位調(diào)制器的上方布置B信號(hào)發(fā)生器，B信號(hào)發(fā)生器上方布置B鎖相放大器；B相位調(diào)制器的下方布置A信號(hào)發(fā)生器，A信號(hào)發(fā)生器下方布置A鎖相放大器；隔離器下方布置高壓放大器，高壓放大器下方布置加法器，加法器下方布置PI電路；分束器下方布置C信號(hào)發(fā)生器；A環(huán)形共振器上方布置B探測(cè)器，B環(huán)形共振器下方布置A探測(cè)器；
激光器與隔離器連接，隔離器與分束器連接，分束器分別與A相位調(diào)制器和B相位調(diào)制器連接，A相位調(diào)制器與A環(huán)形共振器連接，B相位調(diào)制器與B環(huán)形共振器連接，A環(huán)形共振器的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡的一個(gè)側(cè)面，B環(huán)形共振器的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡的另一個(gè)側(cè)面，三角棱鏡的底面與氟化物楔形腔通過倐逝場(chǎng)耦合(當(dāng)三角棱鏡與氟化物楔形腔的間隙小于4倍的諧振波長(zhǎng)時(shí)，本來只在棱鏡與空氣界面處發(fā)生全反射的光，也有一部分以倏逝波的形式進(jìn)入氟化物楔形腔，即進(jìn)入氟化物型腔的光波會(huì)在腔中進(jìn)行傳輸和耦合)；激光器與高壓放大器連接，高壓放大器與加法器連接，加法器通過開關(guān)與C信號(hào)發(fā)生器連接，加法器還與PI電路連接，PI電路與A鎖相放大器連接，A鎖相放大器分別與A信號(hào)發(fā)生器和A探測(cè)器連接，A信號(hào)發(fā)生器與A相位調(diào)制器連接，A探測(cè)器與B環(huán)形共振器連接；B鎖相放大器分別與B信號(hào)發(fā)生器和B探測(cè)器連接，B信號(hào)發(fā)生器與B相位調(diào)制器連接，B探測(cè)器與A環(huán)形共振器連接。
[0011]進(jìn)一步的，激光器是具有保偏光纖、譜線很窄的穩(wěn)定的單頻固態(tài)激光器，采用具有保偏光纖、譜線很窄的穩(wěn)定的單頻固態(tài)激光器是為了保證穩(wěn)定的工作波長(zhǎng)和溫度穩(wěn)定性以及很好的單向性出射；A相位調(diào)制器和B相位調(diào)制器都是低振幅調(diào)制的相位調(diào)制器，因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器只能輸出最大1V電壓，且低振幅相位調(diào)制器可以避免也因高溫引起的調(diào)制器調(diào)制系數(shù)變化和相位響應(yīng)特性變化從而造成性能的不穩(wěn)定；PI電路是具有很好的反饋的控制電路，只有PI電路能很好的糾偏、調(diào)整誤差，將諧振腔頻率反饋給高壓放大器，激光器才能快速地鎖定諧振腔的頻率；三角棱鏡是等腰直角三角棱鏡，選擇等腰直角棱鏡是保證光在棱鏡里的對(duì)稱傳輸和嚴(yán)格的全反射傳輸。
[0012]氟化物楔形腔的楔形角度Θ為20。，楔形角做到20°，Q值更高，即諧振腔局域光的能力越強(qiáng)。
[0013]工作時(shí)，如圖1、3所示，光源從激光器中發(fā)出，經(jīng)隔離器ISO隔離，隔離器ISO用于防止反射到激光器的光對(duì)其原始輸出的頻率產(chǎn)生影響，經(jīng)隔離器輸出的光通過分束器分束為光束I和光束2，此時(shí)分束器平分的是光強(qiáng)而不是頻率，光束I進(jìn)出A相位調(diào)制器后再進(jìn)出A環(huán)形共振器，光束2進(jìn)出B相位調(diào)制器后再進(jìn)出B環(huán)形共振器，A、B環(huán)形共振器主要作用是用來指示方向；從A環(huán)形共振器出射的調(diào)制光從三角棱鏡的201側(cè)面垂直的進(jìn)入三角棱鏡，經(jīng)折射后在三角棱鏡203底面發(fā)生全反射，再從三角棱鏡的202側(cè)面輸出；WB環(huán)形共振器出射的調(diào)制光從三角棱鏡的202側(cè)面垂直的進(jìn)入三角棱鏡，經(jīng)折射后在三角棱鏡203底面發(fā)生全反射，再從三角棱鏡的201側(cè)面輸出(如圖3所示，設(shè)三角棱鏡中與A環(huán)形共振器對(duì)應(yīng)的一個(gè)側(cè)面為201側(cè)面，與B環(huán)形共振器對(duì)應(yīng)的一個(gè)側(cè)面為202側(cè)面，底面為203底面)。在三角棱鏡203底面與氟化物楔形腔的間隔間產(chǎn)生倐逝場(chǎng)而使得兩束光波耦合進(jìn)入三角棱鏡，其中經(jīng)三角棱鏡的201側(cè)面進(jìn)入的光在氟化物楔形腔內(nèi)形成逆時(shí)針CCW光束，經(jīng)三角棱鏡202側(cè)面進(jìn)入氟化物楔形腔內(nèi)的光在氟化物楔形腔內(nèi)形成順時(shí)針CW光束，進(jìn)入氟化物楔形腔內(nèi)的逆時(shí)針光束CCW循環(huán)出來進(jìn)入B環(huán)形共振器，被A探測(cè)器檢測(cè)到，再通過A鎖相放大器，進(jìn)入PI電路、加法器和高壓放大器，最后傳給激光器，在此，PI電路是用來糾偏、調(diào)整誤差，從而使激光器的PZT鎖定了氟化物楔形腔的頻率(逆時(shí)針的光束)，加法器以及開關(guān)作用是在鎖頻時(shí)，打開開關(guān)，掃描電壓和PI控制電壓相加然后傳給激光器的PZT從而控制頻率。經(jīng)過B環(huán)形共振器進(jìn)入氟化物楔形腔內(nèi)的順時(shí)針光束CW循環(huán)出來進(jìn)入A環(huán)形共振器，被B探測(cè)器檢測(cè)到，再通過B鎖相放大器輸出，此時(shí)輸出的信號(hào)即為陀螺的頻差信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單路閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0014]本發(fā)明采用高介電常數(shù)(高K)的氟化物材料來代替二氧化硅材料來制備楔形腔，從而得到高Q、高精度的諧振式光學(xué)陀螺。本發(fā)明為精度更高、靈敏度更高的諧振式光學(xué)陀螺儀。以氟化物如氟化鋰、氟化鎂、氟化鈣、氟化鋇等高K氟化物為材料制備的諧振腔，具有高Q值，大直徑d的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得高精細(xì)度透射譜輸出，從而實(shí)現(xiàn)更高分辨率的角速度測(cè)量，將現(xiàn)有微機(jī)電慣性傳感器的測(cè)量精度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，達(dá)0.Ι-Ο.Ο/h，可滿足導(dǎo)航級(jí)要求。使用等腰直角三角棱鏡作為耦合器，可以保證光路的對(duì)稱輸入和輸出，從而減小上述的偏振誤差；使用三角棱鏡與楔形腔的耦合方式，在固定好棱鏡和楔形腔的相對(duì)位置后，封裝時(shí)相比用光纖耦合方式使用紫外固化膠的封裝更容易，性能更好。
[0015]在本發(fā)明的基于氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，PI電路對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制使得從光電探測(cè)器(A探測(cè)器、B探測(cè)器)輸出的信號(hào)中提取出能反應(yīng)載體旋轉(zhuǎn)角速率的物理量，并且根據(jù)該物理量分別改變控制光源出射光的頻率和相位調(diào)制器的調(diào)制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的反饋，最終達(dá)到使在氟化物楔形腔中順逆時(shí)針傳播的光路都諧振的目的。本發(fā)明中通過檢測(cè)諧振腔(由三角棱鏡和氟化物楔形腔構(gòu)成)中順逆時(shí)針傳播的光的頻率差，并經(jīng)過頻率-轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換關(guān)系Λ f=D Ω / λ，間接測(cè)量載體的旋轉(zhuǎn)角速率。圖5是Sagnac效應(yīng)的原理圖，即，當(dāng)陀螺不轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，從出射點(diǎn)P發(fā)出的兩束順、逆時(shí)針光經(jīng)過相同的光程差后同時(shí)傳到P點(diǎn)，當(dāng)陀螺以Ω的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，順時(shí)針和逆時(shí)針光束向相反方向傳輸后回到出射點(diǎn)時(shí)，P點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生了移動(dòng)變到P’點(diǎn)，因此，可以根據(jù)順逆時(shí)針兩束光的頻差計(jì)算得到陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:
O構(gòu)成諧振腔的氟化物材料具有很寬的透射波段和很高的透明度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不潮解，是一種具有優(yōu)異光學(xué)特性的材料；
2)構(gòu)成諧振腔(氟化物楔形腔)的尺寸直徑可達(dá)_級(jí)，從而由氟化物材料制備的諧振腔Q值可達(dá)到18-1O11,精細(xì)度可達(dá)105，為陀螺的高靈敏度和高精細(xì)度提供了保證，為諧振式陀螺的性能指標(biāo)達(dá)到慣導(dǎo)級(jí)和精密級(jí)提供了可能；
3)等腰直角三角棱鏡具有平面全內(nèi)反射特性，角向選模特性和相位共軛效果，使在振蕩過程中光場(chǎng)分布趨于均勻，輸出光遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角小，低價(jià)模輸出，光束質(zhì)量好；
4)楔型諧振腔內(nèi)光耦合采用的是棱鏡耦合，棱鏡耦合是通過空間光進(jìn)行耦合的，在調(diào)整好耦合角度后，可以直接進(jìn)行封裝，不同于光纖耦合，若要封裝，需要使用紫外固化膠固定，而紫外固化膠的熱效應(yīng)差，溫度升高或降低，都會(huì)影響折射率，而致使最終輸出的透射譜和封裝前的透射譜發(fā)生變化。在提高耦合效率的基礎(chǔ)上，避免了耦合器的損耗以及由于光纖陀螺的模場(chǎng)直徑不匹配而產(chǎn)生的光散射等附加損耗及封裝問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明中氟化物楔形腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為圖2的局部切面結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖4為本發(fā)明中三角棱鏡與氟化物楔形腔的耦合原理圖。
[0021]圖5為Sagnac效應(yīng)原理圖。
[0022]圖中:1_激光器、2-分束器、3- A相位調(diào)制器、4- B相位調(diào)制器、5_ A環(huán)形共振器、6- B環(huán)形共振器、7-三角棱鏡、8-氟化物楔形腔、9- A探測(cè)器、10- A鎖相放大器、11- PI電路、12-加法器、13-高壓放大器、14- C信號(hào)發(fā)生器、15- A信號(hào)發(fā)生器、16- B探測(cè)器、17-B信號(hào)發(fā)生器、18- C信號(hào)發(fā)生器、19-隔離器、20-開關(guān)。

【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述:
如圖1至圖5所示，一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，包括集成在硅基板上的激光器1、分束器2、A相位調(diào)制器3、B相位調(diào)制器4、A環(huán)形共振器5、B環(huán)形共振器6、三角棱鏡7、氟化物楔形腔8、A探測(cè)器9、A鎖相放大器10、PI電路11、加法器12、高壓放大器13、C信號(hào)發(fā)生器14、A信號(hào)發(fā)生器15、B探測(cè)器16、B信號(hào)發(fā)生器17、B鎖相放大器18、隔離器19 ;A信號(hào)發(fā)生器15、B信號(hào)發(fā)生器17、C信號(hào)發(fā)生器14的結(jié)構(gòu)相同；A相位調(diào)制器
3、B相位調(diào)制器4結(jié)構(gòu)相同；A探測(cè)器9、B探測(cè)器16結(jié)構(gòu)相同；氟化物楔形腔8是指用精度為0.9999以上的氟化物晶體制作而成的、且周緣為楔形設(shè)計(jì)的圓盤；
其中，A相位調(diào)制器3和B相位調(diào)制器4上下布置于硅基板的中心位置，A、B相位調(diào)制器3、4的右邊布置上下分布的A環(huán)形共振器5和B環(huán)形共振器6 ;A、B相位調(diào)制器3、4的左邊由左至右依次布置激光器1、隔離器19和分束器2，A、B環(huán)形共振器5、6的右邊由左至右依次布置三角棱鏡7和氟化物楔形腔8 ；A相位調(diào)制器3的上方布置B信號(hào)發(fā)生器17，B信號(hào)發(fā)生器17上方布置B鎖相放大器18 ；B相位調(diào)制器4的下方布置A信號(hào)發(fā)生器15, A信號(hào)發(fā)生器15下方布置A鎖相放大器10 ;隔離器19下方布置高壓放大器13，高壓放大器13下方布置加法器12,加法器12下方布置PI電路11 ;分束器2下方布置C信號(hào)發(fā)生器14 ；A環(huán)形共振器5上方布置B探測(cè)器16，B環(huán)形共振器6下方布置A探測(cè)器9 ；
激光器I與隔離器19連接，隔離器19與分束器2連接，分束器2分別與A相位調(diào)制器3和B相位調(diào)制器4連接，A相位調(diào)制器3與A環(huán)形共振器5連接，B相位調(diào)制器4與B環(huán)形共振器6連接，A環(huán)形共振器5的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡7的一個(gè)側(cè)面，B環(huán)形共振器6的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡7的另一個(gè)側(cè)面，三角棱鏡7的底面與氟化物楔形腔8通過倐逝場(chǎng)耦合；激光器I與高壓放大器13連接，高壓放大器13與加法器12連接，加法器12通過開關(guān)20與C信號(hào)發(fā)生器14連接，加法器12還與PI電路11連接，PI電路11與A鎖相放大器10連接，A鎖相放大器10分別與A信號(hào)發(fā)生器15和A探測(cè)器9連接，A信號(hào)發(fā)生器15與A相位調(diào)制器3連接，A探測(cè)器9與B環(huán)形共振器6連接；B鎖相放大器18分別與B信號(hào)發(fā)生器17和B探測(cè)器16連接，B信號(hào)發(fā)生器17與B相位調(diào)制器4連接，B探測(cè)器16與A環(huán)形共振器5連接。
[0024]在本發(fā)明中，三角棱鏡7和氟化物楔形腔8構(gòu)成一個(gè)諧振腔，氟化物楔形腔8的結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，三角棱鏡7與氟化物楔形腔8的耦合原理如圖4所示；
本發(fā)明的光路、電路走向?yàn)?
光源從激光器I出射進(jìn)入隔離器19隔離后進(jìn)入分束器2分束；
經(jīng)分束器2的光分束后分為光束I和光束2，光束I和光束2分別進(jìn)入A相位調(diào)制器3和B相位調(diào)制器4，再通過A環(huán)形共振器5和B環(huán)形共振器6出來；
從A環(huán)形共振器5出射的調(diào)制光從與三角棱鏡7的201側(cè)面垂直的方向進(jìn)入棱鏡經(jīng)折射后在棱鏡203底面發(fā)生全反射從棱鏡的202側(cè)面輸出，從B環(huán)形共振器6出射的調(diào)制光從與三角棱鏡7的202側(cè)面垂直的方向進(jìn)入棱鏡經(jīng)折射后在棱鏡203底面發(fā)生全反射從棱鏡的201側(cè)面輸出；
這兩束光波在三角棱鏡7的203底面與氟化物腔的間隔間產(chǎn)生倏逝場(chǎng)而使的兩束光波耦合進(jìn)入三角棱鏡7，其中經(jīng)三角棱鏡7的201側(cè)面進(jìn)入的光在氟化物腔內(nèi)形成逆時(shí)針CCW光束，經(jīng)三角棱鏡7的202側(cè)面進(jìn)入腔內(nèi)的光在氟化物腔中形成順時(shí)針CW光，進(jìn)入氟化物諧振腔內(nèi)的逆時(shí)針光束CCW循環(huán)出來進(jìn)入B環(huán)形共振器6，被A探測(cè)器9檢測(cè)到；
如圖1所示，CCW方向傳輸?shù)墓馐?jīng)A探測(cè)器9轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后經(jīng)A鎖相放大器10解調(diào)輸出，得到用于反饋控制激光光波頻率的誤差信號(hào)，誤差信號(hào)的存在，PI電路11控制作用一直進(jìn)行，最終的結(jié)果使誤差信號(hào)為零，此時(shí)的激光輸出光波頻率被鎖定在氟化物楔形腔8的CCW方向的諧振頻率點(diǎn)處；
此時(shí)的CW方向的諧振光束經(jīng)B探測(cè)器16給B鎖相放大器18解調(diào)，輸出即為陀螺信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單路閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0025]具體實(shí)施時(shí)，激光器I是具有保偏光纖、譜線很窄的穩(wěn)定的單頻固態(tài)激光器汸相位調(diào)制器3和B相位調(diào)制器4都是低振幅調(diào)制的相位調(diào)制器；PI電路11是具有很好的反饋的控制電路；三角棱鏡7是等腰直角三角棱鏡，且其反射率可以通過鍍膜實(shí)現(xiàn)來達(dá)到0.9以上；氟化物楔形腔8的楔形角度Θ為20°。
【權(quán)利要求】
1.一種基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，其特征在于:包括集成在硅基板上的激光器(I)、分束器(2)、A相位調(diào)制器(3)、B相位調(diào)制器(4)、A環(huán)形共振器(5)、B環(huán)形共振器(6)、三角棱鏡(7)、氟化物楔形腔(8)、A探測(cè)器(9)、A鎖相放大器(10)、PI電路(11)、加法器(12)、高壓放大器(13)、C信號(hào)發(fā)生器(14)、A信號(hào)發(fā)生器(15)、B探測(cè)器(16)、B信號(hào)發(fā)生器(17)、B鎖相放大器(18)、隔離器(19) ;A信號(hào)發(fā)生器(15)、B信號(hào)發(fā)生器(17)、C信號(hào)發(fā)生器(14)的結(jié)構(gòu)相同；A相位調(diào)制器(3)、B相位調(diào)制器(4)結(jié)構(gòu)相同；A探測(cè)器(9)、B探測(cè)器(16)結(jié)構(gòu)相同；氟化物楔形腔(8)是指用精度為0.9999以上的氟化物晶體制作而成的、且周緣為楔形設(shè)計(jì)的圓盤； 其中，A相位調(diào)制器(3)和B相位調(diào)制器(4)上下布置于硅基板的中心位置，A、B相位調(diào)制器(3、4)的右邊布置上下分布的A環(huán)形共振器(5)和B環(huán)形共振器(6) ;A、B相位調(diào)制器(3、4)的左邊由左至右依次布置激光器(I)、隔離器(19)和分束器(2)，A、B環(huán)形共振器(5,6)的右邊由左至右依次布置三角棱鏡(7)和氟化物楔形腔(8) ;A相位調(diào)制器(3)的上方布置B信號(hào)發(fā)生器(17)，B信號(hào)發(fā)生器(17)上方布置B鎖相放大器(18) ;B相位調(diào)制器(4)的下方布置A信號(hào)發(fā)生器(15)，A信號(hào)發(fā)生器(15)下方布置A鎖相放大器(10);隔離器(19)下方布置高壓放大器(13)，高壓放大器(13)下方布置加法器(12)，加法器(12)下方布置PI電路(11);分束器(2)下方布置C信號(hào)發(fā)生器(14) ;A環(huán)形共振器(5)上方布置B探測(cè)器(16 )，B環(huán)形共振器(6 )下方布置A探測(cè)器(9 ); 激光器(I)與隔離器(19)連接，隔離器(19)與分束器(2)連接，分束器(2)分別與A相位調(diào)制器(3)和B相位調(diào)制器(4)連接，A相位調(diào)制器(3)與A環(huán)形共振器(5)連接，B相位調(diào)制器(4 )與B環(huán)形共振器(6 )連接，A環(huán)形共振器(5 )的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡(7)的一個(gè)側(cè)面，B環(huán)形共振器(6)的光輸出端經(jīng)準(zhǔn)直器垂直對(duì)準(zhǔn)三角棱鏡(7)的另一個(gè)側(cè)面，三角棱鏡(7)的底面與氟化物楔形腔(8)通過倐逝場(chǎng)耦合；激光器(I)與高壓放大器(13)連接，高壓放大器(13)與加法器(12)連接，加法器(12)通過開關(guān)(20)與C信號(hào)發(fā)生器(14)連接，加法器(12 )還與PI電路(11)連接，PI電路(11)與A鎖相放大器(10 )連接，A鎖相放大器(10)分別與A信號(hào)發(fā)生器(15)和A探測(cè)器(9)連接，A信號(hào)發(fā)生器(15)與A相位調(diào)制器(3)連接，A探測(cè)器(9)與B環(huán)形共振器(6)連接；B鎖相放大器(18)分別與B信號(hào)發(fā)生器(17)和B探測(cè)器(16)連接，B信號(hào)發(fā)生器(17)與B相位調(diào)制器(4)連接，B探測(cè)器(16)與A環(huán)形共振器(5)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，其特征在于:激光器(I)是具有保偏光纖、譜線很窄的穩(wěn)定的單頻固態(tài)激光器;A相位調(diào)制器(3)和B相位調(diào)制器(4)都是低振幅調(diào)制的相位調(diào)制器；PI電路(11)是具有很好的反饋的控制電路；三角棱鏡(7)是等腰直角三角棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于高K氟化物諧振腔的諧振式光學(xué)陀螺，其特征在于:氟化物楔形腔(8)的楔形角度Θ為20°。
【文檔編號(hào)】G01C19/66GK104075703SQ201410351123
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】薛晨陽, 張文棟, 劉耀英, 劉俊, 閆樹斌, 唐軍, 安盼龍, 張志東, 鄭華 申請(qǐng)人:中北大學(xué)