sagnac干涉仪的若干问题和光源控制研究

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1、Sagnac干涉仪的若干问题和光源控制研究1绪论1.1背景介绍Sagnac光纤干涉仪是一种基于Sagnac效应的光纤传感器，在工业界中有着广泛的应用。它可以用来检测传输气体或者液体的管道在哪个地方发生了泄漏⑴，也可以制成光纤传感器阵列来进行声音探测[2],还可以制成测量电流强度的电流计等[3]。在各种用途中，最重要的应用就是光纤陀螺。光纤陀螺是一种用于检测相对惯性空间中角速度的光纤传感器，基于的原理是Sagnac效应。1913年，法国科学家GeorgesSagnac提出惯性空间的旋转角速度可以通过一个没有转动部件的光学系统来测量，这就是

2、Sagnac效应[4]。他采用的是一个环形的干涉仪，并且证实在旋转时，两个反向传播的光路中会产生一个相位差。1925年，Michelson和Gale用了一个长为600m，宽为300m的巨大矩形环形干涉仪来测地球自转[5]。但在其后较长时间内，由于没有寻找到足够小的器件来使光纤陀螺实用化，这种用无运动部件来代替机械陀螺的奇妙想法并没有多少人关注。直到20世纪60年代，He-Ne激光器的发明为这一想法带来了新的生机。1962年，Rosenthal提出釆用一个环形的激光腔，让相反方向传播的两束光沿着封闭的谐振腔传播多次以增加灵敏度，而不是像当

3、初Sagnac干涉仪那样只传播一次[6]。Macek和Davis在1963年对这个想法进行了验证，并且于1978年开始应用[7]。由于华裔科学家高银在1966年提出材料杂质是造成光纤损耗的主要原因并且提出通过降低杂质可以将损耗降至20dB/km,再加上半导体光源和探测器技术的发展，1967年Pircher和Hepner提出可以用多距光纤线圈代替激光器，这样就可以通过多次循环来增强Sagnac效应[8]。1976年，Vali和Shorthill对此进行了实验验证,标志了光纤陀螺的挺生[9]。按照光学工作原理划分，光纤陀螺可分为谐振式光纤陀

4、螺、干涉式光纤陀螺和受激布里渊散射式光纤陀螺三种。1977年，MIT的S.Ezekiel和S.K.Balsamo首次提出了谐振式光纤陀螺[1]。谐振式光纤陀螺的优点是光纤长度比较短，通常只有几米到几十米，但由于瑞利散射和Kerr效应的影响，目前仍旧处于实验室研究阶段。受激布里渊散射式光纤陀螺需要有一个大功率的激光器，这个激光器发出的光会在光纤中引起布里渊散射从而形成光纤激光器.在陀螺旋转时，顺时针和逆时针的光之间会有一个频率差，而这个频率差是与旋转的角速度成正比的⑴、到目前为止，受激布里渊散射式光纤陀螺也仍然处于实验室研究阶段。干涉式光

5、纤陀螺是研究地最为成熟的类型，其原理前面巳经有所涉及，在此不再赘述。与传统的机械陀螺相比，光纤陀螺具有如下特点：第一，全固态。没有旋转和摩擦部件，因而使用起来没有磨损，降低了长期使用的成本。第二，体积小，便于集成。第三，对工艺要求比机械陀螺低，便于制作。除此之外，光纤陀螺还具有耐冲击、结构灵活、动态范围大、抗干扰能力强等特点。1.2研究课题意义由于光纤陀螺具有以上的特点，因此在很多领域都得到了广泛的应用.最主要的应用体现在军事方面在陆战中，以前主要是应用GPS(即全球定位系统）进行导航.但是当需要定位的坦克等行进到隨道、深山、密林等地时

6、，GPS信号会变得非常弱，甚至于根本接收不到。而这些地区通常又是陆战的主要战场。在这种情况下，为了实现连续导航，就需要GPS与航位推算系统相结合。航位推算系统是一种由光纤陀螺和里程计组成的导航系统。由于航位推算系统安装在战车的内部，不易受敌方干扰，因此对在作战中占据有利地位具有十分重要的意义。除此之外，在装甲车和坦克发射炮弹时，炮塔需要稳定《而由于光纤陀螺与机械陀螺相比具有对振动、冲击和加速度的不敏感性，因此光纤陀螺在稳定炮塔方面得到了广泛应用。在海战中，潜艇行驶于水下，经常几天甚至几个月都在海底航行。水下没有参照物，如果在这种情况下没

7、有精准的导航设备，就很容易偏离既定目标。各国军方越来越认识到：光纤陀螺是未来水下导航唯一的有效手段。因此纷纷加大对光纤陀螺研发的投入.在航空领域，光纤陀螺应用稍晚。20世纪20至30年代，各种机械陀螺仪开始在航空领域广泛使用。直到20世纪70年代中后期，光纤陀螺才开始真正应用于航空领域。由于与机械陀螺相比，光纤陀螺具有启动时问短、重量轻、感应度高、能承受强加速度、无可动部分等优点的原因，各国空军投入了大量的人力物力来研制光纤陀螺。同时，由于光纤陀螺具有抗干扰性强等特点，因此在导弹制导方面也占据了很大份额。在战争中，由于导弹很可能遭受强电

8、子干扰，因此必须拥有自己的导航设备，而不能单纯依赖于卫星导航。只有当自身携带了导航设备之后，才能实现在任何状况下的自动导航，从而为最终精确击中目标提供保障。前面提到，在三种光纤陀螺中，干涉式光纤陀螺技术最为