专利名称：一种全固态激光陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器技术、光学技术和惯性测量技术。
背景技术：
激光陀螺仪用于惯性转速测量已有三十余年的发展历史，目前激光陀螺仪已经商 品化生产。他的原理是基于光学赛格纳克效应，环路转动导致环形激光陀螺仪中相向传 播的行波激光场频率差Δ ν，该频率差正比与转动角速度，根据高伯龙、李树棠著《激光陀 螺》，国防科技大学出版社(1984)，有如下公式 4 ^ <formula>formula see original document page 3</formula>其中A表示环形腔环路面积，L表示环形腔环路光程长度，λ表示激光波长，Ω表 示垂直于环路平面的转动角速度分量。因此通过测量激光频率差△ ν，我们可以很精确地 计算转动角速度Ω。为了测量激光频率差△ ν，要求在激光陀螺环路中的双向行波激光场具有稳定的 光强。在目前使用的激光陀螺中均使用气体增益介质，由于气体原子的运动，使激光增益具 有多普勒加宽线型。因此只有在多普勒频移作用下与激光场发生共振相互的原子才能对 激光场提供增益。在激光频率偏离原子中心频率的条件下，某一种速度的原子对激光陀螺 中某一方向传播的激光场提供增益，速度与上述原子大小相等方向相反的原子对相反传播 方向的激光提供增益，因此激光陀螺内部的增益介质等效成两部分，每一部分只为一个方 向的激光提供增益，两个方向的光场模式之间不存在竞争，激光陀螺输出双向稳定的激光 (实际中使用两种同位素混合气体)。然而气体增益介质有其固有缺点。1、气体增益介质难以实现小型化和片上集成； 2、气体放电的高压导致气体增益介质激光陀螺结构复杂；3、气体的泄漏和电极溅射等导致 激光陀螺有限寿命。本发明的目的在于1、用固体增益介质代替气体增益介质实现激光陀螺的小型化 和片上集成；2、提高激光陀螺的使用寿命和可靠性。
发明内容
本发明使用固体增益介质代替传统激光陀螺的气体增益介质，以提高激光陀螺的 存储和使用寿命，同时也为实现激光陀螺小型化和集成化奠定基础。使用固体增益介质要 解决的关键问题是减小环形腔中双向光场之间的耦合，为此目的，本发明利用光学受激散 射效应代替目前激光器中利用原子或离子的受激辐射对激光场提供增益，例如受激拉曼散 射或受激布里渊散射。对于晶体材料而言，由于晶体的晶格结构特性，使受激散射在不同方 向上表现出不同的散射性质，泵浦光在不同方向上散射的耦合系数也不同。比如在GaP介 质波导中的拉曼散射，如果波导沿[100]方向，泵浦光在前向拉曼散射的耦合系数会远小 于泵浦光在后向拉曼散射的耦合系数。如果我们将泵浦光仅耦合到环形光学谐振腔的某一个传播方向，拉曼散射光场则形成在泵浦光的相反方向上的行波场，并且泵浦光为该行波 光场提供增益。如果环形光学谐振腔同时输入两个方向传播的泵浦光，则可在该环形光学 谐振腔中同时得到两个方向散射光场的行波场，并且它们分别从不同方向的泵浦光中获得 增益，这样就可以有效地消除不同方向上拉曼散射之间的竞争，实现环形光学谐振腔中同 时存在两个方向上独立的激光行波振荡，在环路转动的作用下，通过赛格纳克效应造成两 个方向光场的频率差，探测该频率差，根据公式(1)可计算得到转动角速度，实现激光陀螺 功能。
附图中A、B、C、D表示分别在[100]、
、[100]、
晶向上的光波导，并且A、 B、C、D相互连接构成一个环形光学谐振腔，M、N表示介质光波导，用于泵浦光和散射光的输 入输出，E表示定向耦合器，用于M、N光波导与ABCD环形光学谐振腔之间的光场耦合。M、 N光波导的端口用X、Y表示，X、Y端口上镀有抗反射介质膜。
具体实施例方式下面以GaP基波导的受激拉曼散射激光陀螺为例说明本发明的具体实现方式。本发明全固态激光陀螺的原理示意图如说明书附图所示，激光陀螺由输入输出光 波导、定向耦合器和环形光学谐振腔组成，其中环形腔光波导沿[100]或
方向。设 泵浦光从光波导X端输入，并且泵浦光沿晶体的W01]方向偏振，泵浦光通过定向耦合器 进入环形腔波导的A臂，并且仍然保持W01]方向的偏振，根据晶体中拉曼散射的选择定 贝U，此时拉曼散射光和光学声子的偏振方向分别沿
和[100]方向。在GaP中，参与 相互作用的纵向光学声子分两类(1)后向散射的纵向光学声子，波长λωι 0. 13μπι或 (2)前向散射的纵向光学声子，波长λω2 7.67μπι。根据Takao Saito等人Spontaneous Raman scattering in [100], [110], and[11-2]directional GaP waveguides, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 90, NUMBER 4，(2001)散射系数公式<formula>formula see original document page 4</formula>⑵式中d和w分别表示光波导在
和
方向上的尺度。取w = 3.8ym，d = Llym带入上式计算得1^0.98，η2 0. 02，所以拉曼散射光将集中在后向上。因此 受激拉曼散射激光也将在与泵浦光入射方向相反的方向上，即为图中逆时钟传播模式。因 此从X端入射的泵浦光将对逆时钟传播模式提供增益。同理从Y端入射的泵浦光将对顺时 钟方向传播的激光提供增益。这样不同的泵浦光对不同方向传播的激光场提供增益，可以 有效地克服激光陀螺中由不同方向光场的竞争效应而引起的光强起伏，实现稳定的双向光 强输出，通过频率差测量系统，实现激光陀螺功能。本发明可以通过控制从X端口和Y端口输入泵浦光的光强来分别控制逆、顺时钟 方向传播拉曼散射激光的光强，由此实现双向光场模式平衡控制。本发明亦可用环形腔结构控制双向光场增益的平衡，比如在环路中设置[110]方 向的波导，可以增加拉曼散射前向耦合系数，这样环形光学谐振腔中，在[100]方向波导中 泵浦光为后向受激拉曼散射提供增益，而在[110]波导中泵浦光位前向受激拉曼散射提供增益，由此可用单向泵浦光为双向受激拉曼散射提供增益，由于不同方向的受激拉曼散射 增益来自于环路的不同部分，所以双向传播模式之间的耦合被消除，实现稳定的双向模式 运转。
从实现方案可以看出，本发明适用于小型化，集成化激光陀螺仪，同时由于其全固 态化，也为长寿命，高可靠性激光陀螺仪打下了基础。
权利要求
一种激光陀螺仪，由激光增益介质、环形光学谐振腔、输入输出耦合器和光频差检测装置组成，其特征在于激光增益介质为固体。
2.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于泵浦光通过与固体增益介质的受激 散射过程为激光场提供增益。
3.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于激光陀螺仪环形光学谐振腔由闭合 介质光波导组成。
4.根据权利要求1所述的激光陀螺仪，其特征在于激光陀螺仪输入输出耦合器由定向 耦合光波导组成。
全文摘要
一种激光陀螺仪。本发明涉及激光器技术、光学技术和惯性测量技术。目前使用的激光陀螺均使用气体增益介质，本发明使用固体增益介质代替气体增益介质，实现激光陀螺的全固体化。但由于固体增益介质中原子或离子与气体增益介质中原子或离子比较处于相对静止的运动状态，由此导致双向光场模式之间的强烈竞争而引起光场的不稳定。为了克服固体增益介质激光陀螺的上述困难，本发明利用泵浦光与固体增益介质的光学受激散射效应对激光场提供增益。由于不同方向上传播的激光场依赖于泵浦光的入射方向，所以可以利用泵浦光控制不同方向上传播的受激散射光场增益，实现固态激光陀螺的双向激光模式的稳定输出。本发明适用于片上集成激光陀螺。
文档编号G01C19/66GK101825464SQ200910042788
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者刘肯, 叶卫民, 曾明, 曾淳, 朱志宏, 罗章, 袁晓东 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学