连续光轨道角动量谐振腔陀螺仪的制作方法

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。

技术实现要素：

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：

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。

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：

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。

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；

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。

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将光源产生的高斯模式激光|0>扩束，透射通过相位片中心后，即转化为共轭叠加的拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式|l>+|-l>。

所述共轭叠加态相位片可以将正入射通过自身中心的|l>+exp(2iθ)|-l>模式以η＝cos²θ的效率转化回到高斯模式。其中，|l>+exp(2iθ)|-l>是经过旋转的共轭叠加轨道角动量模式，它可以由|l>+|-l>模式绕自身中心旋转θ/m而得到。

光束可以携带两部分内禀角动量，其一是来自于偏振的自旋角动量，其二是来自于螺旋波前形状的轨道角动量。一束单色连续的拉盖尔-高斯模式光具有良好定义的轨道角动量，其大小为每个光子其中l为一个描述拉盖尔-高斯模式的整数参数，为约化普朗克常数。使用共轭叠加态相位片，可以实现由激光器中直接输出的高斯模式和上述的拉盖尔-高斯模式之间的相互转换。

3、双色镜。

使用双色镜在光路中完全合并和分离两种波长激光的空间位置。在采取45度角入射时，双色镜的表面对信号光的波长为增透的，而对参考光的波长为接近完全反射的。

4、光学谐振腔。

光学谐振腔是使用几块高反射率镜限制光的传播，使得光可以在内部反射叠加的结构。对于内部无放大介质的被动谐振腔，从外部耦合输入一束包含多种模式的激光，只有满足谐振条件的特定模式在其中叠加相长，能够从输出端离开谐振腔，这些模式称为腔的本征模式。其他模式则返回输入端。镜面形状为圆形的稳定谐振腔，横向本征模式是拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式。将连续光输入谐振腔时，输出模式是来自于之前不同时刻，反射不同次数的信号的相干叠加。使用Pound-Drewer-Hall技术，可以借助参考光源的负反馈，使光学谐振腔在不稳定的环境中也能保持长度和共振模式稳定。在谐振腔内，光相当于在自由空间或空气介质中的传播，损耗较在光纤介质内传播小。

本实用新型实施例中，光学谐振腔各个腔镜对信号光和参考光都有高反射率，其中信号光强度透射系数为T＜＜1(T的量级在10^-2左右)，腔具有自由光谱范围νFSR，输入的|l>+|-l>模式在其中多次反射后延迟输出。当共轭叠加态相位片以输入光线为轴，以角速度Ω旋转时，来自不同时刻的入射模式混合，实际输出的模式变为：

5、压电陶瓷伺服系统。

所述压电陶瓷伺服系统使用参考光源从腔内出射的误差信号，使用Pound-Drewer- Hall技术控制一个腔镜的位置，从而将谐振腔的长度稳定在|ψ1>对应的纵模共振点处。

6、模式匹配透镜-棱镜组

所述模式匹配透镜-棱镜组包含一个道威(Dove)棱镜和一对模式匹配凸透镜。其中，使用所述道威棱镜可以将共轭叠加态入射模式旋转一定角度，在本装置中，道威棱镜旋转的角度为π/8l,使得出射模式沿中轴线转过π/4l,输出的模式演化为：

所述模式匹配凸透镜组，将|ψ2>由与谐振腔匹配的模式转化为近平行的模式，使其再次通过共轭叠加态相位片，发生模式转化。转化为高斯模式的效率为：

7、平衡差分探测器。

平衡差分探测器具有两个光信号输入端和一个电信号输出。两个光信号分别输入第一次经过相位片前分束得到的信号，和第二次重新转化为高斯模式，经光纤收集的信号。电信号输出这两个光信号光强之差经放大之后的结果。

当调整上述第一个光信号(即经过相位片前分束得到的信号)的大小，使得陀螺仪静止时，上述两个光信号的强度为相等的，则在陀螺仪旋转时，经由平衡差分探测器输出的电信号大小B即为系统转动角度的简单函数：

使用上述平衡差分探测器求差分信号时，减去了由于总的输入激光强度抖动导致的可能误差，使得转速测量的零点位置对于总光强的偏差是不敏感的。

图2给出了对于携带轨道角动量的光模式演化的示例。

如图2所示，使用一个l＝3的共轭叠加态相位片。一名观察者总是以沿着输入光线方向观察系统，并保持共轭叠加态相位片相对自身为静止的，现在他试图判断系统与自身的总体转动速度。在图2中，所有虚线代表模式中参考点在系统静止时的角度，实线代表参考点在旋转系统中真实的角度。

输入的信号光束初始时为高斯模式(例如图2中的a)，表示为|0>，首次经过共轭叠加态相位片后，获得了轨道角动量模式|3>+|-3>，其外观为六瓣的花瓣形(例如图2中的b)。如果将这个模式沿对称轴逆时针旋转θ，则新的模式将为|3>+e^i(12)θ|-3>。现在考虑输出腔的结果，假设系统在垂直相位片表面方向有一个稳定的总角速度Ω，输出的模式包含了直接通过腔的部分、被两个腔镜总计反射了两次的部分、反射了四次的部分、……每一个部分都比上一个部分早1/νFSR进入腔内，从而相位片的角度比当前时刻要落后Ω/vFSR。对于所有模式按振幅叠加求和得到输出的模式为：

也就是较输入腔之前的模式相比，顺时针旋转了Ω/vFSRT的角度(例如图2中的c)。

接下来|ψ1>通过反射面与水平方向转过了7.5°的道威棱镜，逆时针旋转15度(例如图2中的d)而演化为：

|ψ2>再次经过共轭叠加态相位片，向高斯模式作投影测量(例如图2中的e)。

在图2中，有四种典型的测量结果被表示出来。其一，一个高斯模式经过相位片演化为共轭叠加态，使用单模光纤收集，相当于在高斯模式做测量，结果为0，固定单模光纤的位置；其二，一个|3＞+|-3>模式被相位片完全演化为高斯模式，单模光纤收集得到全部功率；其三，一个|3>+i|-3>模式被相位片以1/2的效率演化为高斯模式，单模光纤收集到一半功率；其四，一个|3>-|-3>模式被相位片完全演化为|6>-|-6>模式，单模光纤收集不到功率，结果为0。由于第一种与第四种测量结果的功率为0，故未在图2中未绘制。

在实验中，单模光纤收集到的功率为：

接下来，观察者只要按照上述方案中描述，使用平衡探测的方法，即可断定自身所在系统在上文所述方向的转动角速度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。