基于谐振法的激光陀螺光学谐振腔损耗测量系统

摘要

本发明公开了一种激光陀螺谐振腔损耗测量系统，主要解决了现有测量系统需要另外系统完成压电陶瓷非线性校正的问题。整个测量系统包括激光器(1)、球面反射镜(2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)、1/2波片(5)、谐振腔固定装置(6)、谐振光信号测量控制装置(7)、主控计算机(11)和压电陶瓷驱动器(12)。激光器发出激光束，经球面反射镜、二维平行平板、偏振片和1/2波片入射到待测激光陀螺谐振腔并产生谐振光，通过给压电陶瓷施加不同偏置电压，对压电陶瓷的非线性进行精确校正，之后通过测量谐振光功率谱线半高宽计算出谐振腔损耗。本发明具有效率高，成本低，测量精确的优点，适用于对激光陀螺谐振腔损耗的高精度测量。

权利要求

1.一种对激光陀螺谐振腔损耗进行测量的方法，所述方法采用一种激光陀螺谐振腔损耗测量系统，所述系统包括：激光器(1)、球面反射镜(2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)、

1/2波片(5)、谐振腔固定装置(6)、谐振光信号测量控制装置(7)、主控计算机(11)和压电陶瓷驱动电路(12)，其中：激光器(1)，采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动电路(12)的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束；该激光器(1)输出的激光束依次经过球面反射镜(2)、二维平行平板(3)、偏振片(4)和1/2波片(5)，入射到谐振腔固定装置(6)上放置的待测激光陀螺谐振腔中，在待测激光陀螺谐振腔中激发多个本征模式，产生谐振光，该谐振光经过谐振光信号测量控制装置(7)进行光电转换和数模转换，传输到主控计算机(11)上；

主控计算机(11)内设有USB驱动模块、非线性校正模块、损耗测量模块和显示界面模块，USB驱动模块用于驱动主控计算机与谐振光信号测量控制装置(7)之间的指令传输及数据采集，并通过显示界面模块将采集到的数据进行实时显示并保存；非线性校正模块通过控制压电陶瓷驱动电路(12)给激光器上的压电陶瓷施加不同偏置电压，得到待测激光陀螺谐振腔输出的一组脉宽不同的功率谱线，以该组谱线为依据，校正压电陶瓷的非线性，并通过损耗测量模块测量待测激光陀螺谐振腔的损耗；

所述方法包括如下步骤：

（1）对系统的压电陶瓷非线性进行校正：

1.1）主控计算机通过USB接口控制压电陶瓷驱动电路，输出偏置电压和锯齿波形的驱动电压，该电压施加到激光器上的压电陶瓷两端，利用压电陶瓷的非线性，使激光器输出频率呈非线性变化的激光束；

1.2）激光器输出的频率呈非线性变化激光束，入射到待测激光陀螺谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过谐振光信号测量控制装置转换为数字信号，并传输到主控计算机显示出其随时间变化的谱线图；

1.3）改变施加在激光器上压电陶瓷的偏置电压，通过压电陶瓷的非线性，得到一组半高宽不同的谐振光功率谱线图；

1.4）以1.3）中所获得一组谱线的半高宽为依据，调节压电陶瓷驱动器输出的驱动电压波形，使激光器输出频率呈线性变化，完成压电陶瓷的非线性校正；

（2）主控计算机通过USB接口控制压电陶瓷驱动电路，输出波形校正后的驱动电压到激光器上的压电陶瓷，使激光器输出频率呈线性变化的激光束； （3）激光器输出的激光束入射到待测激光陀螺谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过谐振光信号测量控制装置转换为数字信号，并传输到主控计算机显示出该谐振光功率随时间变化的谱线图；

（4）主控计算机通过测量谐振光功率谱线半高宽，计算谐振腔损耗值：

其中，δ为谐振腔损耗，Δt为谐振光功率谱线半高宽，Lres为待测激光陀螺谐振腔腔长，Llas为激光器的谐振腔腔长，T为激光器的扫频周期。

说明书

基于谐振法的激光陀螺光学谐振腔损耗测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于测量技术领域，涉及一种光学谐振腔的测量系统，主要用于对激光陀螺光学谐振腔损耗的测量。

背景技术

[0002] 目前，关于激光陀螺光学谐振腔损耗测量，主要有两种方法：一是基于谐振腔衰减时间常数测量的光腔衰荡法，二基于谐振腔自由光谱范围测量的谐振法。光腔衰荡法不受谐振腔入射激光束光强稳定性的影响，但仅可测量较低的损耗，对较高的损耗，测量精度降低；而谐振法，则一般用于对中、高损耗的精确测量。此外，还有基于DF透反仪的直接测量法，该方法测量简单，但只适用于高损耗测量和对测量精度要求不高的情况。

[0003] 国内对谐振腔损耗的测量研究较多，文献《激光陀螺谐振腔损耗与相位差测量》(田海峰等，2006年，中国惯性技术学报)对基于谐振法的激光陀螺光学谐振腔损耗测量方法在原理和装置上都做了详细论述。该方法在中、高损耗的情况下，理论上可以达到较高的精度，但由于扫频激光器中压电陶瓷的非线性对该法的测量精度影响较大。因此在实际测量中，首先要对压电陶瓷进行非线性校正，以使扫频激光器输出频率线性变化的激光束，保证测量的精度；之后再进行谐振腔损耗的精确测量。目前一般的测量方法是：在谐振腔损耗测量系统之外，另外附加一套专用测量装置对压电陶瓷的非线性进行测量并完成校正，这种测量系统不仅增加测量过程的复杂度和测量成本，而且降低了测量效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于谐振法的激光陀螺光学谐振腔损耗测量系统，以简化测量过程，降低成本，提高测量效率。

[0005] 为实现上述目的，本发明的测量系统包括：激光器、球面反射镜、二维平行平板、偏振片、1/2波片、谐振腔固定装置、谐振光信号测量控制装置、主控计算机和压电陶瓷驱动电路，其中，激光器采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动电路的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束；该激光器输出的激光束依次经过球面反射镜、二维平行平板、偏振片和1/2波片，入射到谐振腔固定装置上放置的待测激光陀螺谐振腔中，在待测激光陀螺谐振腔中激发多个本征模式，产生谐振光，该谐振光经过谐振光信号测量控制装置进行光电转换和数模转换，传输到主控计算机上；主控计算机内设有USB驱动模块、非线性校正模块、损耗测量模块和显示界面模块，USB驱动模块用于驱动主控计算机与谐振光信号测量控制装置之间的指令传输及数据采集，并通过显示界面模块将采集到的数据进行实时显示并保存；非线性校正模块通过控制压电陶瓷驱动电路给激光器上的压电陶瓷施加不同偏置电压，得到待测激光陀螺谐振腔输出的一组脉宽不同的功率谱线，以该组谱线为依据，校正压电陶瓷的非线性，并通过损耗测量模块测量待测激光陀螺谐振腔的损耗。

[0006] 所述的压电陶瓷驱动电路，包括两个DDS信号发生器与两个高压放大模块，每个DDS信号发生器分别连接一个高压放大模块，每个DDS信号发生器产生0～5V的波形可调电压，通过高压放大模块将该电压放大到0～240V，并施加到激光器上压电陶瓷的两端作为驱动电压和偏置电压，以控制激光束频率的变化。

[0007] 所述的球面反射镜和二维平行平板放置在激光器与谐振腔固定装置之间，用于调节激光器输出激光束入射到待测激光陀螺谐振腔的角度和平移量，提高耦合效率。

[0008] 所述的偏振片和1/2波片放置在激光器与谐振腔固定装置之间，用于根据测量需要调节入射到待测激光陀螺谐振腔的激光束偏振态、偏振方向和光强。

[0009] 所述的谐振光信号测量控制装置，包括光电探测器、A/D模数转换器和USB接口，该A/D模数转换器将经过光电探测器进行光电转换和信号放大的谐振光信号转换成数字信号，并通过USB接口输出到主控计算机上进行数据处理，主控计算机通过USB接口向压电陶瓷驱动器发送控制信号，使其产生压电陶瓷驱动电压。

[0010] 本发明具有以下优点：

[0011] 1)本发明由于采用单模扫频激光器，该激光器在压电陶瓷驱动电路的控制下，输出频率呈周期性且连续线性变化的激光束，在激光器的一个扫频周期内，激发多个本征模式，实现了对多个本征模式损耗的同时测量。

[0012] 2)本发明利用激光陀螺谐振腔损耗测量系统，提出了一种以谐振光功率谱线半高宽为依据的压电陶瓷非线性校正方法，保证校正精度，避免另外采用设备进行压电陶瓷非线性校正，降低了成本，提高了效率，简化了测量过程。

[0013] 3)本发明中的压电陶瓷驱动电路，包括两个DDS信号发生器与两个高压放大模块，实现灵活调节输出电压波形，并可以同时输出两个电压信号到压电陶瓷的两端作为驱动电压和偏置电压。

[0014] 4)本发明采用球面反射镜和二维平行平板的组合，可同时精细调节入射到待测激光陀螺谐振腔的激光束入射角度和平移量，对入射激光束与待测激光陀螺谐振腔进行模式匹配，有效减少模式间交叉耦合，提高耦合效率。

[0015] 5)本发明由于采用偏振片和1/2波片，实现根据测量需要，转换入射到待测激光陀螺谐振腔的激光束偏振态、偏振方向和光强，滤除杂散光引起的噪声干扰，提高测量精度。

附图说明

[0016] 图1是本发明基于谐振法的激光陀螺谐振腔损耗测量系统结构框图；

[0017] 图2是本发明使用谐振法测量激光陀螺谐振腔损耗的原理示意图；

[0018] 图3是本发明使用谐振法测量激光陀螺谐振腔损耗的流程图；

[0019] 图4是在本发明测试过程中，进行谐振腔损耗测量时，待测激光陀螺谐振腔输出的谐振光功率谱线；

[0020] 图5是在本发明测试过程中，进行压电陶瓷非线性校正时，对激光器上的压电陶瓷施加不同偏置电压，由待测激光陀螺谐振腔输出的谐振光功率谱线。

[0021] 图6是改变施加在激光器上压电陶瓷的偏置电压，通过压电陶瓷的非线性，得到在一组谐振光功率谱线图。

具体实施方式

[0022] 以下将结合附图详细地描述本发明的系统结构。

[0023] 参照图1，本发明的测量系统包括光学系统、谐振光信号测量控制装置7、主控计算机11和压电陶瓷驱动电路12，光学系统产生光信号，并通过谐振光信号测量控制装置7传输到主控计算机11，该主控计算机11同时通过谐振光信号测量控制装置7，控制压电陶瓷驱动电路12，施加驱动电压和偏置电压给光学系统。其中：

[0024] 光学系统包括激光器1、球面反射镜2、二维平行平板3、偏振片4、1/2波片5和谐振腔固定装置6，该激光器1，采用单模扫频激光器，其上附有压电陶瓷，通过控制压电陶瓷，可调节激光器1输出激光束的频率，在该激光器1之后，依次放置有球面反射镜2、二维平行平板3、偏振片4、1/2波片5和谐振腔固定装置(6)。球面反射镜2和二维平行平板3可精确调节入射激光束的角度和位置，降低光路调节难度，提高入射激光束与待测激光陀螺谐振腔的耦合效率；偏振片4和1/2波片5可根据测量需要，调节和转换入射到待测激光陀螺谐振腔的激光束偏振态、偏振方向和光强；谐振腔固定装置(6)用于放置待测激光陀螺谐振腔；该激光器1的输出激光束经由球面反射镜2、二维平行平板3、偏振片4和1/2波片5，入射到放置于谐振腔固定装置(6)上的待测激光陀螺谐振腔中；入射激光束在频率连续变化的过程中，若与待测激光陀螺谐振腔的固有频率相同，待测激光陀螺谐振腔中就会产生并输出谐振光。

[0025] 谐振光信号测量控制装置7，包括光电探测器8、A/D模数转换器9和USB接口10，光电探测器8位于谐振光信号测量控制装置7前端作为其输入，在光电探测器8之后设有A/D模数转换器9，A/D模数转换器9又与USB接口10相连。光电探测器8将入射光信号转换为模拟电信号，该模拟电信号经A/D模数转换器9转换为数字信号，并通过USB接口输出给主控计算机。

[0026] 主控计算机11内设有测量控制模块，包括USB驱动模块、非线性校正模块、损耗测量模块和显示界面模块。非线性校正模块、损耗测量模块和显示界面模块各自独立，并都与USB驱动模块相连；USB驱动模块用于通过USB接口与外部设备进行数据采集和命令发送；非线性校正模块实现压电陶瓷非线性校正；损耗测量模块完成对待测激光陀螺谐振腔损耗的测量；显示界面模块将采集到的数据进行图形显示。

[0027] 压电陶瓷驱动器12，包括两个DDS信号发生器与两个高压放大模块，每个DDS信号发生器分别连接一个高压放大模块，每个DDS信号发生器产生0～5V的波形可调电压，通过高压放大模块将该电压放大到0～240V并输出。

[0028] 利用上述系统进行损耗测量的原理参照图2说明如下：

[0029] 激光器14在压电陶瓷驱动电路13的控制下，输出频率随时间呈周期性且连续线性变化的激光束并入射到待测激光陀螺谐振腔15中，当该激光束频率接近待测激光陀螺谐振腔的某个固有频率时，待测激光陀螺谐振腔输出的谐振光光强增大，远离该固有频率时，待测激光陀螺谐振腔输出的谐振光光强减小。待测激光陀螺谐振腔输出的谐振光经光电探测器16进行光电转换，并由数据处理系统17处理并显示，可得出谐振光功率随时间变化的谱线图，如图5所示。该谱线半高宽和激光陀螺谐振腔的损耗有如下关系：

[0030]

[0031] 其中，δ为谐振腔损耗，Δt为谐振光功率谱线半高宽，Lres为待测激光陀螺谐振腔腔长，Llas为激光器的谐振腔腔长，T为激光器的扫频周期。

[0032] 由上式可知，得到激光陀螺谐振腔输出谐振光功率谱线，并测量谱线的半宽度，就可以得到谐振腔的损耗。

[0033] 参照图3，本发明的测量步骤如下：

[0034] 步骤1，对系统的压电陶瓷非线性进行校正。

[0035] 参照图4，本步骤的具体实施如下：

[0036] 1.1)主控计算机11通过USB接口10控制压电陶瓷驱动电路12，输出偏置电压和锯齿波形的驱动电压，该电压施加到激光器1上的压电陶瓷两端，利用压电陶瓷的非线性，使激光器1输出激光束的频率呈非线性变化；

[0037] 1.2)激光器1输出的频率非线性变化激光束入射到放置于谐振腔固定装置6的待测激光陀螺谐振腔中，并在待测激光陀螺谐振腔中产生谐振光，该谐振光经过谐振光信号测量控制装置7转换为数字信号并传输到主控计算机11，由主控计算机11显示出该谐振光功率随时间变化的谱线图；

[0038] 1.3)改变施加在激光器1上压电陶瓷的偏置电压，通过压电陶瓷的非线性，得到一组谐振光功率谱线图，如图6所示，该组谱线半高宽不同，分别为Δt1，Δt2，Δt3，Δt4，Δt5...；

[0039] 1.4)计算机11上的非线性校正模块以1.3)中所获得一组谱线的半高宽为依据，调节压电陶瓷驱动器输出的驱动电压波形，使激光器1输出频率呈线性变化的激光束，完成压电陶瓷的非线性校正。

[0040] 步骤二，主控计算机11通过USB接口10控制压电陶瓷驱动电路12，输出波形校正后的驱动电压到激光器1上的压电陶瓷，使激光器1输出频率呈周期性连续线性变化的激光束。

[0041] 步骤三，激光器1输出的频率线性变化激光束入射到待测激光陀螺谐振腔中激发谐振光，该谐振光信号通过测量控制装置7传输到主控计算机11，得到谐振光功率谱线。

[0042] 步骤四，主控计算机11测量谐振光功率谱线半高宽，并根据以下公式，计算谐振腔损耗值：

[0043]

[0044] 其中：Δt为测量出的谐振光功率谱线半高宽，Lres为待测激光陀螺谐振腔腔长，Llas为激光器的谐振腔腔长，T为激光器的扫频周期。