正负旋四频差动激光陀螺矢量自洽方程组的推导

<正>负旋四频差动激光陀螺是一种除反射片外腔内无光学元件的新型四频差动陀螺,其激光工作模式为椭圆偏振本征模。为研究其工作特性,以椭圆偏振模式为本征模,从兰姆半经典自洽场理论出发,结合密度矩阵运动方程,采用三阶微扰处理方法,得出了椭圆偏振模式下的兰姆系数。分析表明,圆偏振本征模下的兰姆系数经加权后可得到椭圆偏振本征模下的兰姆系数,权重是正/负旋圆偏振模电场强度分量大小占椭圆偏振模总电场强度大小比重的平方。由此建立了正负旋四频差动激光陀螺矢量自洽方程组,初步实验验证了理论公式的有效性,可用来对正负旋四频差动激光陀螺进行理论研究。     

激光陀螺本征模偏振态与磁敏感特性的理论研究

环境磁场的干扰是影响激光陀螺精度的重要因素之一. 为了减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性, 推导了环形腔的琼斯矩阵, 其中考虑了非共面角、增益介质、腔损耗、腔镜反射各向异性和应力双折射, 采用矩阵本征问题求解的摄动理论分析了环形腔的偏振态和磁敏感特性. 研究表明, 为了减小激光陀螺的磁敏感性, 应减小非共面角和腔损耗, 增大腔镜的反射各向异性. 腔镜应力双折射究竟会增大还是减小磁敏感性与应力作用主轴、受应力腔镜的位置有关, 此外它还会引起顺时针和逆时针模式之间的偏振非互易性. 磁敏感性与腔失谐近似成线性关系, 导致激光陀螺工作于增益峰值时磁敏感性并非最小. 这些结果对减小二频机械抖动激光陀螺的磁敏感性具有较好的指导意义. 关键词： 激光陀螺 磁敏感性 椭圆度 琼斯矩阵     

双折射晶体琼斯矩阵分析

利用双折射晶体中两特征偏振态在晶体中独立传播的理论，推导出双折射晶体的琼斯矩阵，并对特征光波为线、圆、椭圆偏振光时的琼斯矩阵做出相应的分析和讨论。找出了直接影响光透过晶体后偏振态的因素，并做出相互之间的关系曲线。对分析双折射晶体对光偏振态的影响以及通过光学方法分析晶体性质具有一定参考价值。最后分析了水晶片旋光性质变化的原因，对四频差动激光陀螺中水晶片的安装具有一定的指导作用。     

四频差动激光陀螺中的粒子数脉动效应

为研究激光陀螺精细模耦合作用,考虑了增益介质中的粒子数脉动效应.从激光器物理原理出发,分析了粒子数脉动效应的产生机制,结合四频差动激光陀螺特点,得出粒子数脉动效应是一种精细模耦合效应,不同激光模式间的拍频使增益介质中粒子数布居差产生调制,进而对模耦合产生影响.数值计算了粒子数脉动在耦合效应中的大小.计算结果表明:粒子数脉动效应和其他耦合效应随腔频变化基本一致,在大多数腔频范围内数值较小,为其他耦合效应的4%以下;在某些腔频范围(如0.37＜ξ＜0.46,0.02＜ξ＜0.06,0.86＜ξ＜0.88)有较大数值,为其他耦合效应的80%以上,在激光陀螺的模耦合分析中不可忽略.     

双反射膜双频He-Ne激光器双频特性及偏振特性的实验研究

本文对 5 MHz频差双反射膜双频 He- Ne激光器输出激光的双频特性及偏振特性进行了实验研究。研究结果表明 ,当磁场方向同反射膜的一个本征模方向基本重合时 ,有双频出现 ;当磁场方向同反射膜的一个本征模方向夹角在 45°左右时 ,无双频出现。输出激光的偏振方向由反射膜的本征模确定 ,其偏振非正交程度为 tgρ≤ 0 .0 0 87,椭圆化程度tgβ随激光管与磁场的相对角位置变化而发生变化。在合适的位置 ,tgβ可以小至 2 / 70 0。该种外差光源具有较好的偏振特性。     

有限冲击响应滤波器在四频激光陀螺中的应用

针对目前四频差动激光陀螺光学解调方案可靠性和温度特性差的特点,介绍一种基于FPGA的数字拍频解调方案。分析了四频差动激光陀螺数字拍频解调对电路系统的需求,对数字拍频解调的关键部件低通滤波器进行了设计与实现。根据四频差动激光陀螺的特性参数计算滤波器的通带截止频率及阻带截止频率,使用MATLAB的滤波器设计和分析工具FDATool完成了有限冲击响应（FIR）数字滤波器的参数设计,并利用Xilinx公司的FPGA集成开发环境ISE实现FIR数字滤波器的片上系统设计。仿真和实验结果表明,所设计的FIR数字滤波器对四频差动激光陀螺的和频分量衰减达到-66 dB,满足四频差动激光陀螺拍频解调的需求,并有助于实现四频差动激光陀螺的小型化和数字化。     

石英晶体右旋光与左旋光折射率差的温度特性

利用Jones矩阵,从理论上分析了石英晶体的旋光特性。在-10～60℃的温度范围内,实验测试了石英晶体的旋光角随温度的变化关系,并得出了石英晶体右旋圆偏振光与左旋圆偏振光折射率差随温度的变化关系。结果表明,对单色光来说,石英晶体右旋光与左旋光折射率差随温度的升高而增加,也就是说,石英晶体的旋光率随温度变化的这一特性是由晶体的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的折射率差随温度的变化引起的。     

四频激光陀螺性能与室温的相关性研究

室温条件下温度对四频激光陀螺零漂的影响非常复杂.为尝试定性找出温度影响陀螺零漂的机理,对室温下陀螺零漂、表面温度、两路信号的光强差及光强和、两臂放电电流差以及和频进行实时监控测试,通过分析计算各个参数与温度的相关系数.得出以下结论:四频激光陀螺各个参数与温度的相关系数随陀螺运行时间的长短而不同,并且陀螺各参数与温度相关系数的逐次偏差也较大,陀螺室温下的温度补偿对四频激光陀螺性能的改善十分有限;室温下和频与温度具有较好的线性关系.但线性比例系数是变化的.     

四频差动激光陀螺工作点的选择

当四频差动激光陀螺工作于增益曲线上左、右旋陀螺比例因子相等位置时,误差因素在拍频的差动中得到较好的抵消,因而具有较优的性能。为了从实验上寻找该最佳工作点,对四频差动激光陀螺拍频表达式进行了分析,发现静态下和频的电压扫描曲线呈抛物线变化,而且当左、右旋陀螺比例因子相等时,和频的电压扫描曲线处于转折点。设计了实验通过和频电压扫描曲线得到了理论最佳工作点,在不同工作点下对陀螺进行测试,根据其零偏稳定性随工作点的变化趋势,得到了实测最佳工作点。对某型5个陀螺的多次实验表明,由和频电压扫描曲线得到的理论最佳工作点与实测最佳工作点基本一致,最大误差2Hz。该方法可作为四频陀螺选择最佳工作点的参考方法。     

全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿技术

针对全反射棱镜式激光陀螺标度因数随温度周期性变化的现象,根据矩阵光学方法研究了稳频状态下温度变化对环形激光面积的影响,获得了全反射棱镜式激光陀螺标度因数与稳频电压的关系,并得出光束偏移是引起标度因数随温度周期性变化的原因。根据标度因数与稳频电压的关系,建立了全反射棱镜式激光陀螺标度因数补偿模型,通过实验对比了补偿前后标度因数的非线性度。结果表明,根据该补偿模型对全反射棱镜式激光陀螺标度因数进行补偿,标度因数非线性度提高了一个数量级以上,对提高全反射棱镜式激光陀螺的性能具有一定的参考价值。     

异面腔四频差动激光陀螺的智能选模

针对异面腔四频差动激光陀螺(DILAG)工作模式不确定性和跳模对其性能的负面影响,提出了根据开机时腔体温度快速选择最优初始模的智能选模方法。分析了纵模阶数对DILAG的零偏和比例因子的影响以及跳模的危害,指出选择最优初始模是在现有基础上进一步提高DILAG性能的重要方法。通过温度实验做出了最优模相应的压电换能器(PZT)驱动电压随温度的变化曲线,为建立选模模型提供了基本依据。实验表明,智能选模使腔长控制系统加电后能快速稳定在最优初始模,减小了跳模几率,提高了腔长控制电路的鲁棒性和自适应性,对改善DILAG的性能、可靠性具有实用价值。     

石英晶体旋光性的温度效应测试研究

为了测试温度对石英晶体旋光性的影响,采用陶瓷平板型半导体制冷器件作为温控器,设计、建立了石英晶体旋光性温度效应的测试系统,对石英晶体旋光特性的温度效应进行了测试研究：在-10～60℃的温度范围内,从实验上测试了石英晶体的旋光角随温度的变化。实验结果表明：对于确定的单色光,随着温度的升高石英晶体的旋光率增大。根据测试结果,通过求解塞耳迈耶尔方程和四次拟合的方法,得出了塞耳迈耶尔方程的常数与温度的关系式,从而可以得出任意温度下不同波长对应的石英晶体的旋光率。     

Effects of temperature and input energy on quasi-three-level emission cross section of Nd3+:YAG pumped by flashlamp

The influence of temperature and input energy on fluorescence emission cross section of Nd³⁺:YAG crystal is studied. The stimulated emission cross sections of quasi-three-level systems are determined in a temperature range from -30 to 60 ℃ and an input energy range from 18 to 75 J. The cross section is found to decrease with the temperature and the input energy is increased. This is attributed to the thermal broadening mechanism of the emission line. This study is relevant for the development of laser design.     

四频差动激光陀螺的磁敏感性与最佳工作点

为了减小四频差动激光陀螺(DILAG)的磁敏感性,研究了工作点对磁敏感性的影响.根据理论分析,磁敏感性主要来自于左、右旋陀螺相对比例因子修正的不对称,它与工作点有关,在最佳工作点下为零.通过在DILAG增益管上缠绕线圈产生轴向磁场,调节附着于腔平移镜上的压电换能器的驱动电压改变工作点,得到磁灵敏度随工作点的变化规律.结果表明,DILAG在最佳工作点下对外界磁场不敏感,且在每个工作区存在唯一的最佳工作点.DILAG工作在最佳工作点可以使外界干扰在差动中消除,因而有利于提高其性能.为了保证DILAG工作在最佳工作点,必须改变传统的光强差稳频方式.     

异面腔四频差动激光陀螺的色散平衡

为了减小异面腔四频差动激光陀螺(DLG)腔长变动导致的零漂,对DLG的色散平衡进行了研究.利用气体激光的经典理论,推导了DLG零偏与工作点和轴向磁场的函数关系,给出了色散平衡的理论证明.利用在DLG增益管上缠绕通电线圈,给增益介质施加大小可控的轴向磁场,通过驱动腔平移镜上的压电换能器调节腔长来改变工作点,做出了零偏随腔长和线圈电流的变化曲线.结果表明,零偏对腔长变化的灵敏度是轴向磁场的函数,当增益曲线的塞曼分裂量等于非互易分裂量时零偏对腔长变动不敏感.色散平衡技术减小了腔变动对DLG的影响,有利于提高DLG精度.     

Polarization-phase dynamics in a four-frequency gas ring laser with elliptical polarization of counter-propagating waves

Based on a developed and experimentally tested model, self-oscillatory lasing regimes have been studied for a Class A four-frequency gas ring laser with linear coupling of elliptically polarized counter-propagating waves. In the self-oscillatory regime, switching of the intensities, polarization states, and phase differences of the counter-propagating waves is observed, and also a polarization-phase dynamics effect involving displacement of the intensity switching point (with respect to detuning), due to the phase shift as a result of an ellipticity different from zero. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii, Vol. 73, No. 5, pp. 620–625, September–October, 2006.     

基于光学参量振荡器的可调谐红外激光的强度噪声特性

红外激光光源在微量气体、高分辨率光谱分析和量子光学研究等领域具有重要的应用.本文利用锁定单共振光学参量振荡器内腔标准具的方案获得了无跳模连续调谐的红外激光输出,理论和实验研究了红外激光的强度噪声特性,分析了影响强度噪声的因素.通过控制非线性晶体的温度和标准具调制信号实现了对红外激光强度噪声的抑制.当控制非线性晶体工作温度为60℃,内腔标准具调制信号为8 kHz时,单共振光学参量振荡器输出信号光和闲置光的强度噪声分别降低了11和8 dB.