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1、光学陀螺概述1,机械陀螺：转子和振动陀螺,激光陀螺：针对捷联惯导需求 基本原理：Sagnac效应，工作物质是激光束，全固态陀螺 优点 结构简单、性能稳定、动态范围宽、启动快、反应快、过载大、可靠性高、数字输出 发展 1960 激光器出现 1963 Sperry 制成首台样机 1970s中 精度突破，达惯性级 1980s 初开始应用于各个领域,早期研制的机构 Honeywell：三角谐振腔，机械抖动偏频 Litton：四边形谐振腔，机械抖动偏频 Sperry：三角谐振腔，磁镜偏频 国内研制、应用状况 1970s中后期 开始研制， 1990前后 进入实用 1990s中后期 应用达到高峰 面临问题
2、成本较高、体积偏大、不能完全适应捷联系统的要求,1,激光陀螺原理工艺,光学陀螺概述2,光纤陀螺仪：适应捷联系统需求,基本原理：同激光陀螺，只是用外部激光源，用光导纤维传播。 优点：成本低、体积小重量轻。 发展： 1970s 光纤技术发展 1976 年犹它大学瓦里设想和演示 1978 麦道研制出第一个实用产品 1980s后，Littion，Honeywell，Draper 等公司以及英、法、德、日、苏等国也展开了研制。,国内 1980s初，原理研究、试验（少数大学） 1980s末，实质性研制 2000s，进入实用阶段 精度： 国外 0.001 0/h 国内 0.01 0/h,2,激光陀螺原理工艺
3、,Sagnac干涉仪 光路,Sagnac 干涉 测量的基础,提出：由 Sagnac 于 1913年,Sagnac 干涉仪 光路传播 当干涉仪相对惯性空间无转动，则 A、B 两路光程 La = Lb = L,当干涉仪以相对惯性空间旋转，则会引起两路光程不等。 推导光程差 分离点的切向线速度,v 在分束点两侧光路的投影都为,光束 a 逆行一周，回到分束点时多走了一段光程,另有,3,激光陀螺原理工艺,Sagnac干涉仪 光程差,求解方程组，得到,类似，对光束 b，可求得,两束光回到分束点时光程差,因 c 远大于 L，上式近似为,光程差与输入角速度成正比该结论对其它形状的环路也成立。 迈克尔逊实验：
4、矩形面积 A = 600300 m2 光源波长= 0.7m 计算得： L=0.175m，即 / 4 干涉条纹只移动了 1/ 4 条纹间距 如果用来测量 0.015 0/h 的角速度，测量精度无法保证,4,激光陀螺原理工艺,激光陀螺 结构,激光陀螺相对干涉仪的改进 无源谐振腔激光谐振腔 测量光程差谐振频率差,谐振腔(Resonating Cavity)结构： 激光管(光源) + 反射镜(光路) 激光管 = 氦氖气体 + 端面镜片 谐振腔结构及原理 介质受激从基态到高能态粒子数反转分布 光通过激活物质获得增益环形腔获得足够大的增益 反射膜厚度/ 4 获得所需波长 选择环路周长形成同相驻波 端面镜片
5、获得偏振光,5,激光陀螺原理工艺,设激光环绕一周光程 L，是波长的整数倍 q，即 = L / q 激光频率为 Vq，则 Vq= c 故 Vq = cq / L,当谐振腔以绕法线旋转 Va = cq / La Vb = cq / Lb 两束激光的频差：,激光频差正比于输入角速度 干涉条纹以一定的速度移动,激光陀螺 频差产生,6,激光陀螺原理工艺,激光陀螺 频差测量,例：三角谐振腔边长=111.76mm,激光波长= 0.6328m,用来测地球转动角速度,7,激光陀螺原理工艺,激光陀螺 结构工艺,激光介质：氦氖气体（频谱纯度高、反向散射小）,腔体材料：熔凝石英、陶瓷,腔体尺寸：周长200450mm,
6、谐振腔形状：三角、四边 （优缺点： K = 4A / L）,装配组合：分离、整体式,整体式激光陀螺介绍 谐振腔和光路 反射镜（反射膜、凹面、半透） 氦氖气体 阴阳电极：双阳极 控制回路：凹镜、激励电压,8,激光陀螺原理工艺,激光陀螺 三轴整体,三轴整体式：适应捷联系统， 集三个谐振腔于一块材料,两种三轴整体式光路方案 1. 三角形方案（9反射镜）,2.四边形方案（6反射镜） 优点：体积小重量轻、结构简单、可靠性好（第二代技术）,工艺改进对陀螺性能的影响： Cer-vit陶瓷取代石英，提高了稳定性并解决了氦气泄漏 采用光胶和接触焊，避免了环氧树脂杂气对介质的污染。 新的反射镜涂层工艺，解决了涂层变质问题,9,激光陀螺原理工艺,
