石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺中光场偏振特性的影响

为研究石英晶体温度效应对四频差动激光陀螺的影响,从陀螺的自再现传播矩阵出发,结合石英晶体旋光率随温度变化的经验公式,利用琼斯矩阵求本征模的方法,得出了四频差动激光陀螺腔内光场本征偏振态与温度的关系并进行了数值分析,得到椭圆度和左右旋差损随温度变化的曲线。结果表明,石英晶体温度效应对偏振特性的影响与反射镜片的振幅反射率和反射相移有密切关系,对于典型陀螺参量,在-60℃～60℃范围内石英晶体温度效应导致左右旋差损从0增加至10-6量级, 椭圆度从0.122增至0.138。     

四频差动激光陀螺中的S—P各向异性效应

理论分析了四频差动激光陀螺中左，右旋椭圆偏振模式的非对称性，这种非对称性激光陀螺性能的影响是至关重要的，而引起这种非对称性的物理因素是环形的Ｓ－Ｐ相位和损耗的各向异性。     

固体激光器中正交偏振模式间增益竞争的研究

由兰姆半经典激光理论可知,固体激光器中两个模式能否同时振荡取决于两个模式之间的耦合程度,其定义为增益竞争引起的互饱和系数与自饱和系数之比。实验中,利用两个四分之一波片搭建了双频Nd…YAG固体激光器,实现了频差从30 MHz到1.3GHz连续可调的双频激光输出,在此基础上,测量了两正交偏振模式在不同频差输出条件下的噪声功率谱密度,计算出表征两个模式间增益竞争程度的耦合系数。理论上,根据兰姆半经典理论推导出耦合系数的表达式,验证了实验中耦合系数随着频差增加而减小的变化趋势,分析了影响耦合系数的因素,为进一步优化双频固体激光器提供理论基础。     

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。     

平面谐振腔参数对腔内模式椭圆率影响的机理研究

腔内模式椭圆偏振态和磁场是激光陀螺产生磁致误差的两个必要条件,减小腔内模式椭圆率是降低激光陀螺磁灵敏度的重要途径。基于琼斯矩阵的谐振腔理论,提出了建立自洽方程的位置原则;提出了自洽方程求解中起振模式的选取方法;形成了准确、完善的腔内模式椭圆率计算公式。采用数值分析法,分析了平面腔激光陀螺反射镜参数及光路非共面误差对腔内本征模式偏振态的影响机理;提出了两种通过配置反射镜反射相移减小腔内模式椭圆率的新方法。     

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.     

异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频

为了解决光强差稳频系统易受光电元件参量影响的问题,设计了一套用于异面腔四频差动激光陀螺的小抖动稳频系统。采用高频放大和幅度检波电路检出四频差动激光陀螺顺时针(或逆时针)输出光束的拍频幅度,然后用模数转换器采集到数字信号处理器(DSP)内。四频差动激光陀螺正常工作时拍频幅度取极大值,因此可通过对腔长进行小抖动调制实现稳频。利用DSP设计了一套数字式稳频系统,1 s取样的稳频精度为2×10-9,更重要的是稳频点不受光电元件参量变化的影响。设计的小抖动稳频电路精度高、通用性好,对提高四频差动激光陀螺适应恶劣环境的能力有一定的价值。     

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。     

激光陀螺谐振腔横模特征的测量与分析

为了判定被测激光的模式特征,基于激光的频率特性,提出了一种测量激光陀螺谐振腔横模特征的方法.利用F-P扫描干涉仪,可以实时在线测量激光模式分布特性,该方法以已知F-P扫描干涉仪的频率间隔和扫频速度为比例尺,将难以测量的横模频率间隔转化为易于测量的时间间隔,通过测量从扫描干涉仪给出的谱图,计算出不同横模的频率间隔与纵模间隔的比例系数,并与该陀螺的理论比例系数进行比较,从而实现对激光陀螺谐振腔横模特征的精确判定.通过对某型环形激光谐振腔的测量实验,得到了该陀螺模式特征随着工作电流大小变化的规律:随着放电电流的增加,激光陀螺腔内所振荡的横模由单一的基模逐渐转变为基模和高阶模的混合模,并准确地判定出该谐振腔横模特征,其测量结果与理论结果误差小于2%.利用该方法横模频率间隔测量准确度可达1 MHz,重复性可达0.4 MHz.     

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     

四频差动激光陀螺小抖动稳频初步研究

为避免传统光强差稳频方式的缺陷,提出了四频差动激光陀螺小抖动稳频方法.从四频陀螺工作原理出发,分析了小抖动稳频的特性和难点,如鉴频灵敏度较低、陀螺参量不当时工作点有严重偏移、工作模式不易判别、陀螺零漂受稳频精度影响大.针对每一难点提出,解决办法,特别是极低噪声电路的设计技术是提高四频陀螺小抖动稳频精度的关键.提出的解决方案为进一步实验研究提供了理论指导.     

四频差动激光陀螺稳频控制仿真

介绍了四频差动激光陀螺稳频的基本工作原理,在分析稳频电路各组成环节传递特性的基础上,给出了稳频控制系统的开环和闭环传递函数,并从满足相位裕度指标(45°)角度对控制系统各参数进行了优化,结果显示当开环总增益k取33时系统有较好的稳定性和较快的响应速度,满足四频差动激光陀螺稳频控制要求。     

激光二极管泵浦双频固体激光器

研制了0~1.5GHz频差的LD泵浦双频固体激光器。利用端面泵浦和F-P标准具的选模作用得到单频连续输出,在单频基础上将λ/4波片加入谐振腔中,造成本征光频率分裂,实现频差连续可调的双频激光输出。采用琼斯矩阵分析光在腔内的本征值及本征向量,实现了定量分析模在腔内的相位延迟和偏振状态,定量计算双频频差大小。     

四频激光陀螺不同工作模式下零漂的高低温性能分析

四频激光陀螺光强稳定控制后两种不同模式下的零漂在高低温实验中表现出非常明显的差异,其中一种模式的零漂在温度单方向变化时存在一定的振荡,而另一种模式的零漂与温度基本上是线性关系,并且具有良好的重复性。针对这一现象,根据四频激光陀螺的基本理论,分析得出导致这种高低温下不同模式零漂随温度变化不同的主要物理根源可能是差损零漂项和恒磁偏频零漂项随温度变化关系的不同。同时指出四频激光陀螺如果采用温度补偿来提高其精度,则温补系数必须在实际使用的模式下确定才有意义。     

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。     

基于FPGA的四频陀螺信号解调系统的设计与仿真

为了简化四频差动激光陀螺的信号读出系统,采用了一种基于FPGA实现的数字电路解调方案取代传统的合光棱镜中的1／4波片和偏振片来分离左、右旋陀螺信号。简述了四频差动激光陀螺的信号读出原理及解调电路方案,设计了主要由A／D转换器和FPGA构成的四频陀螺信号读出系统。通过Quartus Ⅱ等EDA工具在软件上对系统予以了实现,并针对其主要功能模块进行了仿真验证。仿真结果表明,将四频陀螺信号转化为数字信号后,利用FPGA实现信号解调并最终达到分离左、右旋陀螺信号的方案是可行的,该方案将有助于全数字化激光陀螺的研制。     

基于角锥棱镜的非平面单频环形腔本征态分析

对基于角锥棱镜的非平面单频环行激光器的本征态问题进行了详细讨论,通过参考光线研究了该环形腔的光路闭合情况.腔内允许存在的四个本征椭圆偏振态,由于模式竞争,最终仅存一个本征模式振荡,从而实现单频运转.通过对腔内环路矩阵结构的分析,得出该环形腔中线偏振模式的产生需要系统的光路结构对称.对角锥棱镜的圆柱部分施加磁场,随着磁场的增大,对称光路结构中的本征态结构发生变化,并在适当磁场处出现线偏振模式.     

双折射双频激光器频差特性分析

用激光原理和晶体光学原理分析了腔内加旋光晶体输出光的频差特性，分析表明：当晶片旋转时，理论计算的频差永远小于晶体两本征模通过晶片位相差所决定的频差，有一特殊因子Ｇ＾２起作用。Ｇ＾２的物理意义是激光本征模在晶体两本征模上的投影比平方。这表明一个激光本征模在通过晶体时是部分以快模形式，部分以慢模形式，实际位相延迟介于两者之间，由于两者都介于快模和慢模之间，因而实际频差小于由快模和慢模决定的频差，理论计     

Zeeman双频激光器频率分裂与纵模间隔变动一致性分析

激光谐振腔内相位各向异性会引起频率分裂,两分裂模的频差大小由表现出的相位延迟所决定.对于腔内相位延迟较小的He-Ne激光器,两分裂模很接近,处于烧孔重叠区,存在模式竞争而不能同时振荡,形成隐频率分裂.同时,使得激光器两正交偏振方向上的相邻级纵模产生固定的变动量,其大小等于隐频率分裂量的2倍.如果沿激光偏振方向施加横向磁场,Ne原子谱线发生横向Zeeman分裂,增益原子分成两群,分别为平行于磁场和垂直于磁场方向偏振的光提供增益,大大减弱模竞争,使得激光器的两分裂模可同时振荡并测得频差.在谐振腔内放入倾斜的石英晶体片或半波片,由两种方法分别测量频率分裂量并进行比较.实验表明两种方法测量的结果均与理论计算相符,平均相对偏差不超过1%.据此可以准确得到Zeeman双频激光器的频差大小,并为半波片测量提供了新方法.     

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。