谐振式微光学陀螺系统设计

集成化、微型化是谐振式光学陀螺的发展趋势之一.通过分析在一定激光器线宽情况下,谐振式微光学陀螺(R-MOG)系统极限灵敏度和环形谐振腔光路中各主要参数之间的关系,得到环形谐振腔耦合系数与环形谐振腔损耗参数间的关系.设计优化R-MOG系统的主要光学参数,使得系统的极限灵敏度达到最高.并且对实际设计的集成微光学环形谐振腔组成的R-MOG系统进行模拟转动的开环响应测试.为R-MOG系统的构建提供了理论及实验基础.     

掺铒光纤谐振腔陀螺的谐振腔设计

光纤谐振腔作为谐振式光学陀螺的核心传感器件,其性能直接决定了谐振式光学陀螺的灵敏度。目前使用的光纤谐振腔存在着品质因数偏低的问题,极大地限制了谐振式光学陀螺极限灵敏度的提升。将掺铒光纤引入到光纤谐振腔中并外加高稳定性的泵浦激光器形成掺铒光纤谐振腔,从而有效提升了谐振腔的品质因数。通过对激光功率、掺铒光纤长度等参数的实验探索,确定了最佳的掺铒光纤谐振腔的设计参数,实现了应用于谐振式光学陀螺品质因数为1.44×109的掺铒光纤谐振腔。搭建了基于掺铒光纤腔的谐振式光学陀螺测试系统,经实验测试该系统的零偏稳定性为0.077 5°/s,验证了掺铒光纤腔在陀螺系统中的应用,为新型角速度测量技术提供了新的研究思路和发展方向。     

硅基盘型腔的光学谐振式陀螺DQ乘积优化

硅基盘型谐振腔由于其高品质因数Q值的特性,作为谐振式陀螺的核心元件,有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化,成为目前谐振式陀螺中研究的基础。谐振式陀螺的极限灵敏度受谐振腔的DQ乘积(谐振腔直径D与Q值的乘积)的大小直接影响,提出制作大尺寸的盘型谐振腔获得高的DQ乘积,从而提升谐振式陀螺的极限灵敏度。通过理论计算仿真得到盘型谐振腔的Q值、DQ乘积以及陀螺灵敏度与谐振腔直径D的对应关系及其原因,实验中,采用传统半导体工艺制备不同直径的盘型腔(400μm~10 mm),通过与锥形光纤进行耦合测试得到输出透射谱线,得到盘型谐振腔直径D与Q值的变化成正比关系,得到最优的盘型腔参数,当D=10 mm时,Q值可达1.2×106,通过提升工艺精度以及后续优化还有极大的提升空间,理想条件下将实验得到的数据通过理论计算得到谐振式陀螺灵敏度可达0.02°/s,提供了一种提高谐振式陀螺灵敏度的思路。     

谐振式光纤陀螺环形谐振腔的偏振问题

谐振式光纤陀螺(R-FOG)中,偏振波动引起的检测信号漂移对陀螺系统的检测精度有重要影响.通过矩阵法,分析系统中光纤耦合器不同偏振本征态(ESOPs)的耦合系数差异,与所引起的系统零偏的关系,得剑其与两个偏振本征态耦合系数以及光纤环形谐振腔参数间的解析表达式.利用该解析表达式,求解系统零偏为极值时,耦合器不同偏振本征态的最佳耦合系数;该最佳耦合系数仅与光纤环形谐振腔的损耗参数有关.通过Matlab软件进行数值拟合,得到不同偏振本征态耦合系数与系统零偏之间的关系曲线.从理论上建立耦合器耦合系数偏振相关引起的噪声模型.利用该理论模型,对已报道的R-FOG开环实验系统中偏振波动引起的系统零偏进行了估算.     

影响谐振式光纤陀螺精细度的因素分析

分析了偏振波动噪声和背散噪声对谐振式光纤陀螺精细度的影响。搭建了光纤环形谐振环测试系统,实验结果表明:通过使用偏振控制器和保偏光源抑制偏振波动噪声,能使光纤谐振环的特性参数精细度由64.67提高到101,谐振深度由0.503 3提高到0.712。并且测得光纤谐振腔中背向散射光与主信号强度之比为0.026 7%。研究结果可为谐振式光纤陀螺的小型化和高灵敏度提供理论参考。     

集成光学陀螺谐振腔结构参量的确定

为了研究集成光学陀螺灵敏度的优化,采用调频光谱原理与多光束干涉方法,对谐振式集成光学陀螺核心敏感器件的谐振特性、决定因素及其它们对陀螺灵敏度的影响进行了研究,得到了与光纤谐振腔情形不同,耦合比与腔长变化对谐振特性影响具有二重性的结果.结果表明,在给定波导传输损耗的条件下,以陀螺灵敏度为判据,集成光学陀螺存在由波导损耗水平决定的最佳谐振腔结构参量.     

集成光学陀螺最佳调制频率确定的研究

以无源环形光学谐振腔为核心敏感器件的谐振式光学陀螺结构,被广泛应用于集成光学陀螺设计中.该结构通过对光信号进行外差式调频处理,提高系统灵敏度,调制频率的选择对最终实现的灵敏度有重要影响.根据调频光谱测量原理,从微分吸收谱测量出发,毋须复杂的数学处理,可以推导出理论上实现陀螺极限灵敏度的最佳调制频率,证明其与谐振腔谐振特性的半高全宽有确定的数量关系.因此,对任何结构的谐振式光学陀螺,谐振腔结构参数确定后,最佳调制频率亦随之唯一地确定.     

集成光学陀螺谐振腔结构参量的确定

为了研究集成光学陀螺灵敏度的优化,采用调频光谱原理与多光束干涉方法,对谐振式集成光学陀螺核心敏感器件的谐振特性、决定因素及其它们对陀螺灵敏度的影响进行了研究,得到了与光纤谐振腔情形不同,耦合比与腔长变化对谐振特性影响具有二重性的结果。结果表明,在给定波导传输损耗的条件下,以陀螺灵敏度为判据,集成光学陀螺存在由波导损耗水平决定的最佳谐振腔结构参量。     

双路闭环谐振式微光学陀螺

通过建模仿真,从改善陀螺输出带宽以及提高互易性噪声抑制能力出发,对单路闭环谐振式微光学陀螺(R-MOG)和双路闭环R-MOG进行了分析研究。相比于单路闭环R-MOG,双路闭环R-MOG在抑制互易性噪声的同时,能较好地改善输出带宽,并进一步提高陀螺系统的线性度。在此基础上,搭建了双路闭环R-MOG的实验系统,并进行了陀螺零偏稳定性以及输出响应特性测试。实验结果表明,陀螺1h的零偏稳定性为0.53°/s,在±1000°/s转速范围内,陀螺系统的线性度为99.995%。     

二氧化硅光波导环形谐振腔

利用宽角光束传输法(WA-BPM)对二氧化硅平面波导环形谐振腔进行了优化设计,详细分析了不同环形腔长度下,谐振腔清晰度与环形腔耦合器耦合系数的关系,并进一步分析了由光探测器散弹噪声所限制的谐振型光学陀螺极限灵敏度和环形腔光路参量之间的关系。在此基础上,在硅衬底上利用火焰水解化学掺GeO2的二氧化硅波导上制作成带输入/输出耦合器的环形谐振腔芯片。并通过实验测试了所研制的光波导环形谐振腔,其清晰度高达60,理论分析表明采用上述环形谐振腔研制的陀螺,其极限灵敏度可达1°/h。     

谐振式光纤陀螺中环形谐振腔的实验研究

文中报道了谐振式光纤陀螺中光纤谐振腔的研究工作，首先简述了谐振式光纤陀螺的基本原理，然后对光纤环形腔的谐振性进行了分析，给出谐振条件，并且根据系统的性能要求，对陀螺的谐振腔光路系统进行了设计。     

金属振动陀螺谐振子性能参数的分析与研究

金属谐振子哥氏振动陀螺温度灵敏度高的原因是谐振子的品质因数(Q值)低。现代冶金技术可提供在温度变化时高稳定性和高Q值的合金,为实现高精度金属振动陀螺(CVG)打下了基础。通过从大量的合金材料中筛选符合金属振动陀螺要求的特殊材料进行研究与分析,并探讨了不同热处理工艺对材料性能、金属陀螺谐振子性能参数等的影响。实验结果表明,马氏体时效钢3J33对金属振动陀螺谐振子的性能参数优化有较好的效果。     

新型的可调谐微环谐振器的设计

为了改进微机电系统中的传感器应用范围和特性参数,采用微纳光纤制作了环形谐振腔结构,设计的结构具有尺寸小、损耗低,品质因素高等优点。理论上分析了微纳光纤的光传输模式特性,通过电场的传数矩阵推导了谐振腔中的速度变化与光强变化间的关系,得到了加速度作用下微环谐振腔的谐振波长、周长、有效折射率的变化值间的函数关系。仿真结果分析表明:设计的微环波导电场波动明显,耦合效率较好;光谱强度和3 dB带宽变化较小,Q值达到104;在质量块每增加10 g时,输出光谱图约向右漂移3 nm;加速度与谐振波长漂移量基本呈线性关系,可以通过谐振波长的漂移量来实现对加速度的测量。研究结果能够为全光网络和微机电系统提供实现多种功能的光波导器件。     

谐振式微光学陀螺仪谐振微腔的最新进展

基于Sagnac效应的谐振式微光学陀螺(Resonant Micro-Optical Gyros, RMOG)在集成化、小型化和灵敏度等方面具有巨大潜力,在微纳卫星姿态控制、机器人控制、医学诊断和检测仪器等领域中具有广阔的应用前景,成为近年来研究的热点。谐振微腔作为谐振式微光学陀螺的核心敏感元件,其光学特性与陀螺系统的性能息息相关,谐振腔的研究进展已经严重制约到谐振式微光学陀螺的发展,目前可以通过集成光学技术、微纳光学加工技术和新型材料的应用来减小谐振腔的重量和尺寸,降低成本和功耗,增加系统的可靠性和性能指标。结合期刊会议和相关研究机构披露的信息,简要介绍了谐振式微光学陀螺的发展现状、基本原理以及谐振微腔的特征参量,列举了近期国内外谐振微腔的各种新型结构设计并分析了不同结构的特点与潜力,此外还综述了近期国内外制作谐振微腔的新型材料并总结了不同材料的光学特性,初步探讨了谐振式微光学陀螺敏感单元谐振微腔的后续发展方向和技术发展途径。     

微光学陀螺楔形谐振腔制备技术研究

Si基谐振式光学微腔陀螺以小型化、集成化成为未来姿态检测领域的发展趋势,其极限灵敏度主要取决于谐振腔直径D与品质因数Q值乘积,目前常见的硅基微腔直径为微米级,为了进一步提高极限灵敏度,实验中控制加工工艺减小反应过程中残余应力与表面粗糙度,制备出直径D为8mm、表面粗糙度小于1nm、Q值2.4×106的大尺寸硅基SiO2楔形谐振腔,可实现陀螺极限灵敏度达到55°/h,为芯片级、集成化的新型谐振式光学微腔陀螺的研究奠定了实验基础。     

无源谐振腔激光陀螺实验系统的研制

报道了采用反射型谐振腔结构的无源谐振腔激光陀螺系统。在实验室环境下,取得了漂移稳定性1.7deg/h的性能。指出了引起陀螺漂移的误差因素,并提出进一步改善陀螺测量精度的措施。     

大尺寸楔形腔制备技术研究

谐振式光学陀螺凭借其体积小、可靠性高等独特优点,有望成为微小型化的高精度角速度测试仪器。从谐振腔对角速度传感影响原因进行分析,得出陀螺极限灵敏度与谐振腔品质因数Q和腔体直径D的乘积成正比。传统的楔形谐振腔加工采用MEMS工艺,流程简单,是制备大尺寸微腔的主要结构。然而,由于MEMS加工工艺技术的限制,微腔直径D越大,微腔结构的均匀性和表面粗糙度越难以保证,微米级的表面粗糙度极大的减小了微腔结构的Q值。因此,急需优化MEMS工艺技术来提高大尺寸微腔结构的表面粗糙度,提高光学微腔陀螺的极限灵敏度。通过对楔形腔制备工艺进行研究,制备楔形腔直径8mm,表面粗糙度1nm,Q值大于106,耦合效率大于95%。