CN103116036A - 固体激光加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体激光加速度计，所述固体激光加速度计主要包括：一泵浦激光器；一加速度感测元件设置于所述泵浦激光器输出激光的光路上，包括一固体激光增益介质接收泵浦激光器输出的激光，及一第一反射膜及一第二反射膜形成一激光谐振腔；一加力元件使所述激光谐振腔输出两束具有频率差的激光；一偏振片使所述两束激光形成拍频信号；一光电探测器探测所述拍频信号并将所述拍频信号转换为电信号；以及一信号处理系统对所述电信号换算为加速度。所述固体激光加速度计进一步包括一力平衡系统，所述固体激光加速度计形成一闭环结构。

Description

固体激光加速度计

技术领域

本发明涉及一种固体激光加速度计，尤其涉及一种基于激光频率分裂效应的固体激光加速度计。

背景技术

加速度计是惯性导航、惯性制导、惯性测量、振动测量以及设备控制中的重要测量元件，在各领域都有重要应用。随着应用要求的提高和应用领域的拓展，新型加速度计的研究备受关注。

随着激光技术的发展，现有技术中采用一种利用气体激光器的激光频率分裂现象测量加速度的加速度计，通过在气体激光器光学谐振腔内放入应力双折射元件，当应力双折射元件由于加速度的作用被施加力时，可以产生激光频率分裂与调谐现象。

然而，基于频率分裂效应的气体激光加速度计，应力双折射元件需要在元件表面镀增透膜以降低损耗，结构复杂；另外，由于气体激光器的谐振腔长较长，因此其灵敏度不够高，且不利于小型化。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种结构简单，且灵敏度更高、固体化、小型化的固体激光加速度计。

一种固体激光加速度计，包括：一泵浦激光器；一加速度感测元件，所述加速度感测元件设置于所述泵浦激光器输出激光的光路上，所述加速度感测元件包括一固体激光增益介质接收泵浦激光器输出的激光以及一加力元件，所述固体激光增益介质在所述输出激光光路上具有一第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面垂直于所述泵浦激光器的输出激光，一第一反射膜和一第二反射膜分别设置在所述固体激光增益介质的第一表面和第二表面，并与所述固体激光增益介质共同构成一激光谐振腔，所述加力元件用于感测加速度的变化，并将加速度的变化转化为作用力施加到所述固体激光增益介质，使所述激光谐振腔输出两束具有频率差的激光；一偏振片，所述偏振片使所述两束具有频率差的激光形成拍频信号；一光电探测器，所述光电探测器探测所述拍频信号并将所述拍频信号转换为电信号；以及一信号处理系统，所述信号处理系统对所述电信号进行处理，并换算为加速度。

与现有技术相比较，本发明所述的固体激光加速度计，所述固体激光器中的激光增益介质同时兼具作为激光增益介质以及应力双折射元件的两种功能，结构更加简单、紧凑；并且所述固体激光器的几何腔长即为所述激光增益介质的厚度，因此其腔长更短，有利于实现加速度计的小型化，也使加速度测量分辨率更高。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的固体激光加速度计的结构示意图。

图2为图1所示的固体激光加速度计中加速度感测元件沿II-II方向的结构示意图。

图3为图2所示的加速度感测元件中固体激光增益介质的受力示意图。

图4为本发明第一实施例中不同结构的固体激光增益介质的结构示意图。

图5为本发明第二实施例提供的固体激光加速度计的结构示意图。

主要元件符号说明

固体激光加速度计	100、200
		泵浦激光器	10
准直聚焦系统	11
		加速度感测元件	12
偏振片	13
		光电探测器	14
信号处理系统	15
		力平衡系统	16
固体激光增益介质	121
		加力元件	122
基底	123
		第一反射膜	124
预压弹簧	125
		第二反射膜	126

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明提供的固体激光加速度计。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种基于激光频率分裂效应的固体激光加速度计100，所述固体激光加速度计100包括一泵浦激光器10，一准直聚焦系统11，一加速度感测元件12，一偏振片13，一光电探测器14以及以信号处理系统15。所述准直聚焦系统11，加速度感测元件12，偏振片13以及所述光电探测器14沿所述泵浦激光器10输出激光的光路方向依次设置，所述信号处理系统15与所述光电探测器14电连接。

所述泵浦激光器10的类型可以是气体激光器、固体激光器或半导体激光器，并且可连续的输出激光。优选的，所述泵浦激光器10的工作模式为单纵模，并且可配有精密温度控制以控制泵浦激光器10的温度。本实施例中，所述泵浦激光器10为一半导体激光器，工作功率为40mW，输出激光的波长为808纳米。所述泵浦激光器10的输出激光用于为所述加速度感测元件12提供泵浦。

所述准直聚焦系统11设置于所述泵浦激光器10输出激光的光路上，用于对所述泵浦激光器10输出的激光进行整形，以会聚泵浦激光器10输出的激光。所述准直聚焦系统可为一准直会聚透镜系统，也可为一光纤加自聚焦透镜系统，也可以为其他会聚系统。可以理解，当所述泵浦激光器10直接输出的激光光斑满足测量灵敏度要求时，所述准直聚焦系统11为一可选择结构。本实施例中，所述准直聚焦系统为一准直会聚透镜系统，包括两组平行且相对间隔设置的凸透镜设置于所述泵浦激光器10输出激光的光路上，所述输出激光经过会聚透镜系统会聚形成激光光斑入射入所述加速度感测元件12。

所述加速度感测元件12设置于所述准直聚焦系统11输出激光的光路上，以接收泵浦激光器10输出的激光。优选的，加速度感测元件12可通过一精密温度控制元件以控制环境温度。请一并参阅图2及图3，所述加速度感测元件12包括一固体激光增益介质121，一第一反射膜124，一第二反射膜126，以及一加力元件122。所述固体激光增益介质121的材料不限，只要能够适用于固体激光器激励物质的均可，如红宝石（Cr:Al₂O₃）、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）、氟化钇锂（Nd:YLF）等，优选的，所述固体激光增益介质121为各向同性，以降低固体激光增益介质121本身双折射对测量结果的影响。本实施例中，所述固体激光增益介质121的材料为Nd:YAG晶体微片，所述Nd:YAG晶体的切割方向可沿<111>晶向切割，并形成平整的表面。所述固体激光增益介质121在所述泵浦激光器10输出激光的光路上具有相对的第一表面（图未示）及第二表面（图未示），所述第一表面及第二表面均为一平面。所述第一表面为所述固体激光增益介质121靠近所述泵浦激光器10的表面，所述泵浦激光器10输出的激光沿垂直于所述第一表面的方向入射入所述固体激光增益介质121中。相应的，所述第二表面为所述固体激光增益介质121远离所述泵浦激光器10的表面，固体激光增益介质121产生的激光从所述第二表面输出。

请一并参阅图4，本实施例中，所述固体激光增益介质121为一圆柱体，所述圆柱体的中心轴与所述泵浦激光器10输出激光的光路共轴，即所述泵浦激光器10输出的激光沿所述圆柱体的中心轴入射入所述固体激光增益介质121，所述泵浦激光器10输出激光在圆柱体的入射点与所述圆柱体底面（即所述固体激光增益介质121的第一表面）的圆心重合。可以理解，所述固体激光增益介质121也可以为其他柱体，所述柱体在沿泵浦激光器10输出激光的方向上的横截面也可为三角形、方形、菱形等。所述横截面还可以为轴对称的其他图形，所述横截面的对称轴垂直于所述泵浦激光器10的输出激光的光路。所述泵浦激光器10输出激光可穿过所述横截面的对称轴，即所述泵浦激光器10输出激光在固体激光增益介质121的第一表面的入射点在所述对称轴上，从所述对称轴的位置入射入所述固体激光增益介质121。本实施例中，所述泵浦激光器10的输出激光穿过所述底面的圆心，使得所述固体激光加速度计具有更高的结构对称性，并且能够保证所述固体激光加速度计具有良好的线性信号输出。所述固体激光增益介质121在施加到固体激光增益介质121的力发生变化时产生应力双折射，使原激光频率产生分裂，形成具有一定频率差的两束激光。也就是说，所述固体激光增益介质121同时作为激光增益介质以及应力双折射元件。

所述第一反射膜124设置于所述固体增益介质121第一表面，第二反射膜126设置于所述固体增益物质121的第二表面。所述第一反射膜124、所述固体激光增益介质121以及所述第二反射膜126共同形成一激光谐振腔。所述固体激光增益介质121在所述泵浦激光器10输出激光的激励下，经过第一反射膜124与第二反射膜126的相互作用，能够输出不同于所述泵浦激光器10激光频率的激光。本实施例中，所述固体激光增益介质121输出激光的波长为1064纳米。所述第一反射膜124可为一单层结构也可为多层结构，所述第一反射膜124对于所述固体激光增益介质121输出的激光为高反射性，反射率可大于99.8%；同时，所述第一反射膜124对于所述泵浦激光器10输出的激光为增透膜，通过率可大于96%。所述第二反射膜126对于所述固体激光增益介质121输出的激光为部分反射膜，反射率约为98%±1；同时，所述第二反射膜126对于所述泵浦激光器10输出的激光为高反射性，反射率可大于99.8%，从而保证所述固体激光增益介质121能够具有足够的激光输出功率。可以理解，所述第二表面也可为一沿远离固体激光增益介质121方向突出的凸面，从而与所述第一表面形成一平凹形的激光谐振腔。

所述加力元件122与所述固体激光增益介质121接触设置，用以感测加速度的变化并将加速度的变换转换为作用力施加到所述固体激光增益介质121。本实施例中，所述加力元件122为一方体结构的质量块，所述方体结构的加力元件122的一表面与所述圆柱体的固体激光增益介质121接触设置，具体的，所述加力元件122的一表面与所述圆柱体的侧面接触设置，向所述固体激光增益介质121施加作用力，并且所述作用力的方向与所述圆柱体底面的对称轴共轴，即施加的作用力沿圆柱体圆面的直径方向施加到固体激光增益介质121中，称为“对径加力”。可以理解，所述所述加力元件122的具体形状不限于以上所举，如可为长方体、正方体、圆柱体等几何形状，也可以为其他不规则几何形状。所述加力元件122用于感测加速度的变化，并将加速度的变化转换为作用力施加到所述固体激光增益介质121中。

进一步，所述加速度感测元件12可进一步包括一预压弹簧125以及一基底123，所述基底123可为具有凹槽127的一凹字形结构，用于承载所述激光增益介质121以及所述加力元件122。所述固体激光增益介质121设置于所述基底123的凹槽127中，所述加力元件122通过所述预压弹簧125固定于所述凹槽127中，所述加力元件122的部分表面与所述固体激光增益介质121接触设置。所述预压弹簧125用于固定所述加力元件122，使所述加力元件122仅沿圆柱体底面对称轴的方向产生作用力，防止加力元件122在其他方向上的滑动、平动等，使所述加力元件122产生的作用力稳定的施加到所述固体激光增益介质121中，使之发生应力双折射。即所述加力元件122的运动趋势方向始终保持与所述加速度的方向相同。进一步，所述预压弹簧125也可为固体激光增益介质121提供预应力，产生一初始的或预置的激光频率差。可以理解，在实际测量中，在保证所述加力元件122满足上述条件的情况下，所述基底123及所述预压弹簧125仅为一可选结构。

所述偏振片13设置于所述固体激光增益介质121从第二表面输出的激光的光路上，所述偏振片13的作用为将前述两不同频率的光在其光轴方向上叠加，形成拍频信号。本实施例中，所述偏振片13为一红外偏振片，所述偏振片13的偏振方向与所述两束激光的偏振方向各呈45度设置，从而保证两束激光形成的拍频信号最强。

所述光电探测器14接收该拍频信号，并将光信号转换成电信号输出到信号处理系统15中，本实施例中，所述光电探测器14为光电二极管；所述信号处理系统15对信号进行分析处理，将测量的频差进行计算并换算成加速度。

实际测量时，当所述加力元件122在加速度的作用下，对所述固体激光增益介质121产生作用力F，从而引起固体激光增益介质121产生应力双折射，使其输出的激光产生频率分裂。本实施例中，以所述固体激光增益介质121为圆柱体结构为例，所述作用力F可通过以下方式计算：

圆柱体结构固体激光增益介质121在作用力F的作用下产生的激光频率差?ν为：

，

其中，

为固体激光增益介质121输出的激光频率，

为激光中心波长，

为圆柱体固体激光增益介质121的直径，

为固体激光增益介质121与第一反射镜124、第二反射镜126形成的谐振腔的光学腔长，

为固体激光增益介质121的相对应力光学系数（光弹性常数），

（f₀=λ/C）为固体激光增益介质121的条纹系数。

则，

。

由此可见，已知固体激光增益介质121的各参数，再测出受作用力F时的激光频差值，即可求得作用力F的值。然后再根据a=F/m（忽略预压弹簧的弹性力等环境因素影响）在加力元件12的质量m已知的情况下，即可得到加速度a：

。

请进一步参阅图5，本发明第二实施例提供一种固体激光加速度计200，主要包括包括一泵浦激光器10，一准直聚焦系统11，一加速度感测元件12，一偏振片13，一光电探测器14以及以信号处理系统15。所述准直聚焦系统11，加速度感测元件12，偏振片13以及所述光电探测器14沿所述泵浦激光器10输出激光的光路方向依次设置。本发明第二实施例提供的固体激光加速度计200与第一实施例所述固体激光加速度计100基本相同，其不同在于，所述固体激光加速度计200进一步包括一力平衡系统16，从而使所述固体激光加速度计200形成一闭环结构。

所述力平衡系统16与所述信号处理系统15电连接，并靠近所述加力元件122设置，所述力平衡系统16用于平衡所述加力元件122对所述固体激光增益介质121施加的作用力，并通过测量力平衡系统16所需的物理量的大小，反推出所述加速度。所述力平衡系统16可为一电磁力平衡系统、静电力平衡系统等。举例说明，当所述加力元件122在加速度的作用下受到惯性力，则会向所述固体激光增益介质121施加作用力，所述信号处理系统15向所述力平衡系统16输出控制信号，使所述力平衡系统16对所述加力元件122产生一吸附力或排斥力，所述吸附力或排斥力与所述加力元件122受到的所述惯性力大小相等、方向相反，从而可使所述加力元件122恢复到原来的平衡位置。通过测量吸附力或排斥力的大小，或者引起吸附力或排斥力的大小改变的电流等物理量的改变，即可推得所述加力元件122所受加速度的大小。例如，当所述加力元件122为一含铁金属时，所述力平衡系统16可为一电磁力平衡系统，通过对所述加力元件122施加一电磁吸引力，对所述加力元件122产生吸附作用，所述吸附力与所述加力元件122受到的所述惯性力大小相等，方向相反，从而可使所述加力元件122恢复到原来的平衡位置。通过测量抵消所述作用力所需要的电流的大小，即可反推出所述加速度的大小。所述里平衡系统16使得所述加力元件122避免受到本身内部热膨胀等其他原因产生的双折射，而至于加力元件122整体的加速度有关，从而使得测量灵敏度更高，抗环境干扰能力更强，降低了噪声和漂移，提高了稳定性。

本发明所提供的固体激光加速度计，固体激光增益介质同时作为激光增益介质和应力双折射元件两种功能，通过在固体激光增益介质相对两个表面镀反射膜形成谐振腔，并利用谐振腔内的应力双折射效应产生的激光频率分裂与调谐现象实现加速度测量，一方面，结构简单紧凑，从而减小谐振腔失谐的可能性；另一方面，谐振腔的缩短也利于实现小型化，并进一步提高了所述固体激光加速度计的分辨率，本发明的分辨率可优于10^-7g；同时，由于本发明所述固体激光加速度计由于为全固态结构，更加便于携带，在各个领域均具有良好的应用前景。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种固体激光加速度计，包括：

一泵浦激光器；

一加速度感测元件，所述加速度感测元件设置于所述泵浦激光器输出激光的光路上，所述加速度感测元件包括一固体激光增益介质接收泵浦激光器输出的激光以及一加力元件，所述固体激光增益介质在所述输出激光光路上具有一第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面垂直于所述泵浦激光器的输出激光，一第一反射膜和一第二反射膜分别设置在所述固体激光增益介质的第一表面和第二表面，并与所述固体激光增益介质共同构成一激光谐振腔，所述加力元件用于感测加速度的变化，并将加速度的变化转化为作用力施加到所述固体激光增益介质，使所述激光谐振腔输出两束具有频率差的激光；

一偏振片，所述偏振片使所述两束具有频率差的激光形成拍频信号；

一光电探测器，所述光电探测器探测所述拍频信号并将所述拍频信号转换为电信号；以及

一信号处理系统，所述信号处理系统对所述电信号进行处理，并换算为加速度。

2.如权利要求1所述的固体激光加速度计，其特征在于，所述固体激光增益介质为一柱体，所述固体激光增益介质在输出激光方向上的横截面为一轴对称图形，具有一对称轴。

3.如权利要求2所述的固体激光加速度计，其特征在于，所述加力元件产生的作用力沿所述对称轴的方向施加到所述固体激光增益介质。

4.如权利要求1所述的固体激光加速度计，其特征在于，所述固体激光加速度计进一步包括一基底及一预压弹簧，所述基底为具有一凹槽的凹字形结构，所述固体激光增益介质承载于所述凹槽中，所述加力元件通过预压弹簧固定于所述凹槽中。

5.如权利要求1所述的固体激光加速计，其特征在于，所述加力元件的运动趋势方向始终保持与所述加速度的方向相同。

6.如权利要求1所述的固体激光加速度计，其特征在于，所述固体激光增益介质的形状为圆柱体，所述泵浦激光器的输出激光贯穿所述圆柱体的中心轴，加力元件产生的作用力沿所述圆柱体底面直径的方向施加到所述固体激光增益介质。

7.如权利要求6所述的固体激光加速度计，其特征在于，加速度a通过以下公式计算：

，

其中，为固体激光增益介质输出的激光频率，

为所述固体激光增益介质输出的激光中心波长，

为圆柱体固体激光增益介质的直径，为固体激光增益介质与第一反射镜、第二反射镜形成的谐振腔的光学腔长，

为固体激光增益介质的相对应力光学系数，m为加力元件的质量。

8.如权利要求1所述的固体激光加速度计，其特征在于，进一步包括一力平衡系统与所述信号处理系统电连接，对所述加力元件施加一作用力，所述作用力与所述加力元件受到的惯性力大小相等、方向相反，使所述加力元件恢复到平衡位置。

9.如权利要求8所述的固体激光加速度计，其特征在于，所述力平衡系统对所述加力元件施加的作用力等于所述加力元件对所述固体激光增益介质施加的作用力，通过测量力平衡系统对所述加力元件施加的作用力的大小，得到加速度的大小。

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