廉价环形激光角速度传感器的制作方法

专利名称:廉价环形激光角速度传感器的制作方法
本发明涉及环形激光角速度传感器的新型结构，特别涉及其制造成本低于现有技术各种结构的一种结构。
经过多年研究以后，环形激光角速度传感器(通常称之为环形激光陀螺)已经成为商业上成功的产品，并且在许多应用中正在迅速取代传统的机械式角速度传感器。现今，大多数商品化的环形激光角速度传感器采用一种热稳定和机械稳定的整体结构，以及美国专利3，390，606、3，467，472和3，373，650所讲授的高频机械振动原理。
已经证明这些现有技术的环形激光角速度传感器的工作相当令人满意，并且如前面已经指出的，在某些应用中正在迅速地得到普遍的肯定。但是这些现有技术的环形激光角速度传感器造价昂贵。
本发明的目的是提供环形激光角速度传感器的一种造价低廉的新型结构。
本发明的另一个目的是提供一种环形激光角速度传感器，其整个尺寸(包括其高频振动电机)特别小，例如直径小于2吋。
简单地说，本发明希望提供一种由实心玻璃块构成的环形激光角速度传感器，在该玻璃块上加工了激光光路，并用热成形封接剂将反射镜粘结到该玻璃块上。一个小曲率半径的再聚焦镜与短腔长相结合是这种新型结构的特点。
图1是根据本发明构成的环形激光角速度传感器的部分剖开的平面视图;
图2是一个部分侧视图，表示密封到环形激光角速度传感器玻璃块上的反射镜细部;
图3是激光腔和凹面聚光镜的示意图;
图4是表示激光器电极结构的部分侧视图;
图5是在申请人的发明实践中一种有效的简单的新型腔长控制装置的细部侧视图;
图6是图5结构的放大了的细部视图。
现在参照图1，一个硅酸盐玻璃块10(特别是光学硅酸硼玻璃，最好是BK-7玻璃-字母和数字结合是肖特〔Schott〕光学公司的商品命名方法)具有在其内部加工的通孔12a、12b、和12c，这些通孔形成一个三角形激光腔。反射镜14ac、14ab和14bc在光路12的交叉点处装在玻璃块上。可以理解，能够按照本发明构成带有一个三角形激光腔或者其它腔结构(包括一种立方体腔)的环形激光角速度传感器。
这些反射镜以及它们如何装到玻璃块10上，将在下文中详细叙述。每一个反射镜除了改变激光束的方向以外，还完成下述功能镜14ac是部分透过的，用来提供一个读出光束信号;镜14ab是凹面镜，使相向旋转的激光束聚焦;镜14bc控制腔内光路长度，装在镜14ab上的传感器15给镜14bc提供腔内光路长度控制信号，这和现有技术的环形激光角速度传感器一样。一种适宜于与镜14ac结合使用的读出装置在基尔帕特里克(Killpatrick)的题目为“环形激光角速度传感器的读出装置”的共同未决申请中公开了。
一个阳极16和一对阴极18、20固定在玻璃块上，这将结合图4详细地叙述。正如本技术领域：
中的技术熟练人员可以理解的那样，这些电极给腔内充满的气体提供电能，并产生相向旋转的激光束。
在阳极和阴极装到玻璃块上的地方加工有通向玻璃块内部的通道22a、22b、22c。这些通道使激光气体可以接触到阳极和阴极的内表面。更有利的是通道22a、22b、22c伸到玻璃块里面横穿过光路，还超出一些，以提供贮气区来增加系统总的气体体积。
一个通孔26在垂直于光路12的平面的方向上，整个贯穿过玻璃块10。这个通孔可以用来装一个小型的高频振动电机，最好是在基尔帕特里克(Killpatrick)于1985年5月10日的同一天递交的，题目为“支撑环形激光角速度传感器的高频振动机构”的共同未决申请中公开的那种。
虽然根据本发明讲授的环形激光角速度传感器的结构是新颖的，但是它的基本工作原理与现有技术的环形激光角速度传感器一样。简短地说，玻璃块10里面的激光腔充满氦氖混合的激光气体，阳极16和阴极18、20之间的电场在玻璃块10的内部光路12中产生相向旋转的激光束。玻璃块10的旋转引起相向旋转激光束中的一个增加旋转频率，另一个减小旋转频率。频率差由装在反射镜14ac上的一个适当的传感器检测。该光电探测器的输出信号以本技术领域：
中的技术熟练人员熟知的适当方式进行处理。
现在参照图2，根据本发明的讲授，对降低结构成本做出重要贡献的，是在反射镜14和实心玻璃块10之间采用熔融封接，取代现有技术的环形激光角速度传感器中一般使用的光学接触。在本发明的较佳实施例中，环形激光角速度传感器玻璃块10是一块实心的BK-7玻璃块，如前所述，在它里面加工了激光光路。每个反射镜的基片42也是用BK-7玻璃做的。以本技术领域：
中技术熟练人员熟悉的适当方式，在基片42的表面形成一层激光反射膜。一种由一层二氧化钛和一层二氧化硅组成的膜是适用的。
实心玻璃块10、基片42和膜24的选择取决于这三者需要具有相近的膨胀系数。可以采用一种热成形的熔融封接法把基片42封接到玻璃块10上。正如本技术领域：
中的技术熟练人员会理解的，这种熔融封接是用一种焊接玻璃或熔融材料36经过升温过程形成的，在这个过程中温度升高到450°～500℃，持续一段时间，这特别需要各个部分具有相近的温度膨胀系数。
现在参照图3，平面反射镜14bc、14ac和凹面反射镜使激光束在通道12ab、12ac和12bc组成的腔内相向旋转。腔限制该激光束，使激光束相对于玻璃块的角畸变稳定，并且迫使激光以单一的横模振荡。应该选择激光增益管的直径，使得提供的增益和腔间孔径能够去掉离轴模式。已经证明增益管的直径为0.030吋是令人满意的。
重要的是根据本发明讲授的环形激光角速度传感器有一个短腔。申请人确定了大约2.4吋的腔长是令人满意的。通常不使用超过6吋的腔长。
聚焦镜14ab有一个小曲率半径的反射曲面。随着反射镜14ab的曲率半径减小，激光腔所能允许的失调量增加到一个极限，这时曲率半径等于腔长。超出这个范围，即曲率半径小于腔长，激光束成为不稳定的。在本发明的较佳实施例中，反射镜14ab的曲率半径是15-20厘米，腔长大约6厘米。可以随腔长变化的曲率半径在等于腔长的下限到6倍于腔长的上限之间变化。
现在参照图4，象在现有技术的装置中一样，电极提供与激光气体的电接触。一个阳极和两个阴极三者中的每一个都做得与玻璃块10的热膨胀系数相匹配。这使得能采用热粘结法将电极固定到玻璃块10上，并且在它们之间保证真空密封。为此，基块32由铁镍合金制造，其内表面镀一薄层铝34。铁-镍比可以调节到使这种殷钢型材料具有与玻璃块10相近的热膨胀系数。为了与BK-7玻璃块匹配，大约49%的镍、50%的铁和1%的改善机加工性能的材料等的混合物是令人满意的。应该注意，电极壁应该是薄的，以便在电极装到玻璃块上的地方有柔软性。这种结构补偿由于热应力或机械应力所造成的玻璃块和电极之间的任何相对位移。
现在参照图5，象在现有技术中一样，一个腔长控制镜根据本技术领域：
的技术熟练人员所熟悉的技术，保持腔长是波长的整数倍。但是图5中给出的腔长控制镜的结构是新颖的和便利的，因为它非常简单，并且比现有技术中采用的那些更直截了当。
这个新颖的腔长控制镜包括一个带有反射膜24的基片42′它们以前面结合图2所说明过的方式固定到玻璃块10上。基片42比较薄，例如，在一个实施例中厚0.020吋。粘结到基片42上的是两片压电晶片44和46。正如本技术领域：
中的技术熟练人员会理解的，晶片44和46相互间的排列取向使得消除温度变化的影响。每片晶片最好是镜基片厚度的二分之一。
现在参照图6以及图5，导电电极48淀积在每一个压电晶片44和46的整个上表面和整个下表面上。下面的晶片44用一种适当的环氧树脂粘结到镜基片42上，类似地，上面的晶片46用环氧树脂粘结到下面的晶片44上。导电薄片52装到电极表面上，使适当的信号耦合到压电晶片上，以驱动镜基片，改变腔长，使腔长是波长的整数倍。
本技术领域：
中的技术熟练人员会理解，这里公开的仅仅是本发明的较佳实施例，在不偏离本发明所附的权利要求
中所限定的实质精神和范围的条件下，可以改变和修正实施例。
特别适于与这里公开的新型环形激光角速度传感器一起使用的，一种小型机械高频振动电机在题目为“一种支撑环形激光角速度传感器的高频振动机构”的共同未决申请中公开了，该申请由汉斯(Hamse)等人在1985年5月10日的同一天递交，并转让给本发明的相同受让人。
权利要求
1.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔，所说的玻璃块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数。
2.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔。所说的反射镜中有一个有反射面14ab，其曲率半径足以稳定地使所说的激光束聚焦，所说的玻璃块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数。
3.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔，所说的反射镜中有一个有反射面14ab，其曲率半径足以稳定地使所说的激光束聚焦，一些电极16、18、20，每一个都包括一个有内部铝镀层的基块，在该基块和所说的玻璃块之间用垫成形封接剂将该基块固定到所说的玻璃块上，所说的玻璃块、所说的基块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数。
4.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔，所说的玻璃块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数，粘结到另一个所说的反射镜的基片表面的压电晶体44、46，所说的压电晶体其上有导电镀层，用来给所说的压电晶体耦合一个电信号，以驱动所说的基片，改变所说的腔长。
5.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔，所说的反射镜中有一个有反射面14ab，其曲率半径足以稳定地使所说的激光束聚焦，所说的玻璃块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数，粘结到另一个所说的反射镜的基片表面的压电晶体44、46，所说的压电晶体其上有导电镀层，用来给所说的压电晶体耦合一个电信号，以驱动所说的基片，改变所说的腔长。
6.在其中传播相向旋转激光束的一种环形激光角速度传感器，其特征在于包括一个玻璃块10，在所说的玻璃块10中的一些通孔12，一些反射镜14，每一个都包括在一个基片上的一层反射膜，每一个所说的反射镜用所说的基片与所说的玻璃块之间的热成形封接剂固定到所说的玻璃块上，并且位于一对所说的通孔的交叉点处，该通孔在所说的玻璃块中形成一个闭环谐振腔，所说的反射镜中有一个有反射面14ab，其曲率半径足以稳定地使所说的激光束聚焦，一些电极16、18、20，每一个都包括一个有内部铝镀层的基块，在该基块和所说的玻璃块之间用热成形封接剂将该基块固定到所说的玻璃块上，所说的玻璃块、所说的基块、所说的基片和所说的反射膜具有相近的热膨胀系数，粘结到另一个所说的反射镜的基片表面的压电晶体44、46，所说的压电晶体其上有导电镀层，用来给所说的压电晶体耦合一个电信号，以驱动所说的基片，改变所说的腔长。
7.如权利要求
1中的环形激光角速度传感器，其中所说的玻璃块和所说的基片由光学硅酸硼玻璃制成，并且所说的热成形封接是熔融封接。
8.如权利要求
2中的环形激光角速度传感器，其中所说的玻璃块和所说的基片由光学硅酸硼玻璃制成，并且所说的热成形封接是熔融封接。
9.如权利要求
8中的环形激光角速度传感器，其中所说的曲率半径是在所说的腔长的1倍到6倍的范围之内。
10.如权利要求
9中的环形激光角速度传感器，其中所说的腔长小于6吋。
11.如权利要求
7中的环形激光角速度传感器，其中所说的通孔加工在所说的玻璃块中。
12.如权利要求
8中的环形激光角速度传感器，其中所说的通孔加工在所说的玻璃块中。
13.如权利要求
11中的环形激光角速度传感器，其中所说的光学硅酸硼玻璃是BK-7。
14.如权利要求
12中的环形激光角速度传感器，其中所说的光学硅酸硼玻璃是BK-7。
专利摘要
公开一种在一个玻璃块10中有一些通孔12的环形激光角速度传感器，这些通孔由反射镜组件用热成形封接剂36密封住。
文档编号G01C19/64GK86103124SQ86103124
公开日1986年11月26日 申请日期1986年5月5日
发明者马克·W·维伯, 哈里·A·古斯塔夫森 申请人:霍尼韦尔公司