光学陀螺背向散射问题综述(特邀)EI北大核心CSCD

光学陀螺作为光电惯性导航系统的核心器件,在众多领域发挥着举足轻重的作用。随着科学技术的不断进步,传统的激光陀螺、轻质化的光纤陀螺以及集成化的微光陀螺齐头并进、蓬勃发展,但无论是哪一种陀螺样式,在性能优化的过程之中都不可避免地需要考虑背向散射的问题。背向散射是光学陀螺中的一种噪声源,其会带来陀螺的输出偏置或闭锁效应,从而影响其性能。为了更好地理解光学陀螺中的背向散射机制,首先从半经典理论下的自洽方程组出发讨论背向散射的基本原理,而后依照光学陀螺的发展脉络,分析各种光学陀螺的背向散射分析方法、测量手段以及抑制方法,最后对目前光学陀螺中有关背向散射亟待解决的问题进行总结并展望。     

连续波腔衰荡法的一种新理论推导方法及其应用仿真

与多光束干涉的理论推导不同，本文基于无源腔的Q值定义，根据能量守恒原理，对连续波腔衰荡技术测量原理进行了新的推导．根据推导结果，采用数值模拟的方式就入射光开、关时间对腔出射光功率变化线形的影响进行了分析．重点对衰荡腔充光不足情况下的衰荡线形进行了仿真和数据拟合．结果表明，衰荡腔充光不足会给测量带来误差，但进一步缩短入射光关断时间能减小这种误差．     

6590cm-1附近N2O分子的连续波腔衰荡光谱测量

以超低膨胀系数微品玻璃为腔体,以分布反馈(DFB)激光器为光源,建立了一套高灵敏度连续波腔衰荡光谱测量系统.该系统通过扫描腔长来实现入射激光与衰荡腔的频率匹配,通过DFB激光器的电流调制实现入射光的快速关断.通过DFB激光器的温度、电流调谐实现系统的光谱扫描,7.6×10-9cm.的测量灵敏度.结合超高真空系统,对N2O在6586.5～6596.5cm-1的19条N2O吸收谱线的吸收强度及多普勒展宽系数进行了测量,并就测量结果与HITRAN2004数据库进行了比较和讨论.     

1.517 μm附近水汽分子谱线加宽系数的腔衰荡光谱测量

 以超低膨胀系数微晶玻璃为腔体,以分布反馈式激光器为光源,建立了一套等噪声测量灵敏度为3.2×10^-9 cm^-1的调腔式连续波腔衰荡光谱系统。应用该系统对1.517 μm附近(6 586.5~6 596.5 cm^-1范围内)的7条水汽吸收谱线进行了实验研究,测得了这些谱线在氮气、空气环境下的谱线加宽系数。根据测得的结果,得到了此波段水汽的空气加宽系数与氮气加宽系数之比为0.896 9±0.068 7(3倍标准误差范围内),并就测得水汽的谱线加宽系数与HITRAN2004数据库数据进行了比较。     

基于自洽方程组及传递函数的腔衰荡信号研究

为了更好地理解腔衰荡技术的物理本质和测量过程从而更好地分析腔衰荡信号,利用自洽方程组、结合光学无源腔的品质因子Q值定义对腔衰荡技术的基本原理进行了推导,并结合该方程组有关系数的物理意义,引入传递函数的概念分析了不同情况下的腔衰荡信号的基本特征.结果表明,这种分析方式可靠,可为腔衰荡技术在超低损耗薄膜性能标定及腔内介质的吸收光谱测量等领域的应用提供理论指导.     

环形腔中背向散射特性的理论研究

研究了连续激光注入时无源环形腔的背向散射特性。首先,分析了注入光与无源腔频率完全匹配时,正向光和背散光振幅的稳态解,以及充光和快速关断过程中正向光和背散光振幅随时间的演化。其次,推导了无源腔中正向光和背向散射光的峰值半宽。最后,讨论了正向光和背散光随注入光频率扫描速度的变化。发现在环形腔中,总背向散射光强要比单圈背向散射光强大,背向散射光的峰值半宽为正向光的0.64倍。这些发现对背向散射精密测量、扫频法测腔损具有一定的参考作用。     

连续波腔衰荡技术原理推导及实验研究

基于无源腔的Q值定义,根据能量守恒原理,对连续波腔衰荡技术测量原理进行了推导,并基于多光束干涉理论,就入射光关断时间对腔出射光强信号衰荡线形及测量结果的影响进行了数值模拟和分析,分析表明：入射光的关断时间很大程度上决定着腔出射光功率信号的衰减线形,如果要消除入射光关断时间对测量结果的影响,入射光关断必须小于腔衰荡时间的1%。根据理论分析要求建立了一套测量系统,并对腔损耗约为50ppm的低损无源腔进行了实际测量,实验结果的分析显示,该测量系统测量误差约为0．15ppm。     

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。     

一种基于光学隧穿效应的新型拾音器方案探索

为了探索新型高灵敏度光电拾音器技术方案,基于光学隧穿效应研究,将声压变化转换为全反射棱镜中全反射面与摆片光学面之间的光学隧穿距离变化,从而改变光束在棱镜全反面处的反射（透射）损耗,通过直接测量反射（透射）光的功率变化,实现拾音器基本功能。利用半导体激光器和直角全反射棱镜搭建了一套简易的原理验证实验系统,并利用该系统对三角波信号驱动进行了实验。结果表明,反射光功率会随着三角波信号的改变而改变,光功率改变达到5.6%;由声音引起的玻璃振膜距离变化也可改变输出光功率,并被检测出来。初步验证了该方案的可行性。     

基于OpenFilters的He-Ne气体辉光压制窄带滤光片

为了解决环形激光器小型化中信号信噪比随腔长减小而下降的问题,设计了一种能压制He-Ne气体放电辉光而不影响激光光强的窄带滤光片。基于OpenFilters软件独有的step自动膜系设计方法,以初始膜层厚度为线索,设计了符合光谱特性实际应用要求的多个非规整膜系结构。考虑膜层数、膜层厚度及应力等因素,选出便于石英晶振监控的窄带滤光片。在45的入射角下,该滤光片对s偏振光在632.8nm处的峰值透射率为99.9%,通带半峰值全宽为5.2nm,截止带平均透射率为1.35%。结果表明,该滤光片可有效压制He-Ne气体的放电辉光,提高小型环形激光器的信噪比。