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基于Y型腔正交偏振双频激光器的激光加速度计初步研究

作　者: 肖光宗
导　师: 龙兴武
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光加速度计 Y型腔正交偏振双频激光器谐振腔传感器新型气体膜盒激光器参数全局优化有限元传输矩阵分析方法
分类号: TN248
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

与其它导航方式相比,惯性导航由于能够不受任何外界的干扰,完全自主地提供不间断的导航信号,在军事上具有极其重要的战略意义。作为惯性制导与导航系统中的主要器件,加速度计和陀螺仪一直是世界上各发达国家研究的热点。随着光学陀螺精度和性能的不断提高,加速度计已成为制约我国惯性导航系统性能提高的瓶颈。本文在系统分析我国在高精度加速度计的研制方面总体形势的基础上,结合我国在氦氖激光器的技术和工艺及其在精密测量方面应用的研究基础和优势,独辟蹊径,提出了基于Y型腔正交偏振激光器的激光加速度计方案,并对其开展了初步研究。全面回顾了加速度计,特别是光学加速度计的发展历史和研究现状,重点分析了我军信息化建设对高精度加速度计的迫切需求与我国在高精度加速度计的研制方面总体落后、潜力不足之间的矛盾,指出了我国研制激光加速度计的必要性和紧迫性。系统总结了谐振腔传感器的基本原理和关键技术,对基于谐振腔传感器的加速度测量方案进行了几种探索。详细分析了气体膜盒式激光加速度计和密度梯度盒式激光加速度计的基本原理和影响它们性能的主要因素。理论分析表明,气体膜盒式激光加速度计的比例因子可达针对激光加速度计对Y型腔正交偏振氦氖激光器的输出功率、横模、纵模等物理特征的要求,研究了激光器参数优化和模式分析这两个具有普遍意义的问题。提出了人工神经网络和遗传算法相结合的激光器参数全局优化设计方法,研究表明,该方法可以显著地提高激光器输出功率。研究了谐振腔模式的有限元传输矩阵分析方法(FETM)中有限单元的划分问题,提出了一条新颖而有效的合理确定有限单元划分格数的方法,该方法可以更合理地确定有限单元划分格数,提高FETM方法的计算效率。系统总结了双频激光干涉仪及双频激光器的种类、应用、发展历程和研究现状,详细回顾了国内外双折射效应双频激光器的种类和研究情况。重点对复合腔进行了系统地定义和分类,对其在激光技术中的不同应用进行了总结和比较。成功研制了Y型腔正交偏振激光器,介绍了该激光器的基本原理、结构和特征,测试了激光器的偏振特性,并对其进行了理论分析。通过实验研究了不同频差下共用段调谐过程中,该激光器的光强调谐曲线和相应的拍频变化规律,采用三阶微扰近似下的Lamb半经典气体激光器理论,较为系统、全面地分析和总结了影响光强调谐曲线的各种因素及影响机理。通过实验研究了激光器的频差闭锁现象和闭锁阈值与放电电流之间的关系,并对其进行了理论分析。测试了激光器的频差稳定性,并对其在精密测量中的应用进行了初步探索。从理论和实验上对磁场抑制Y型腔正交偏振激光器的频差闭锁进行了研究。采用Lamb半经典理论建立了磁场中双频激光器两正交偏振纵模间耦合强度的理论模型,定量分析了磁感应强度和频差大小对耦合强度的影响。通过实验验证了横向磁场对频差闭锁具有抑制作用,研究了横向磁场的磁感应强度大小对其抑制频差闭锁效果的影响。理论分析了横向磁场对频差失谐的影响和横向交互磁场对频差失谐的抑制作用,通过实验验证了横向交互磁场对双频激光器频差闭锁和频差失谐的抑制作用。搭建了基于气体膜盒式激光加速度计的微力测量系统和加速度测量系统。实验表明,该测试系统的输入力与拍频变化成正比关系,测量范围为5个量级,最大比例因子为Hz/N,由于拍频不稳定引起的测试系统等效分辨率为10PN。通过优化传感器结构和使用一体化Y型腔正交偏振双频激光器,测试系统的分辨率可达10P-6PN。以MEMS加速度计作为参考,通过实验验证了气体膜盒式激光加速度计的可行性,测试了其性能参数,分析了其性能潜力。实验表明,激光加速度计的输出频差变化与输入加速度成正比关系,比例因子的实验值与理论值基本一致,通过优化激光加速度计结构,其比例因子可达10P9 PHz/g,分辨率可达1Pg,其量程可达±5 g。根据不同方向加速度输入时激光器各输出量的变化规律,提出了基于工作点模式识别的加速度判向方法。

全文目录

摘要  13-15
Abstract  15-18
第一章绪论  18-37
  1.1 加速度计概述  18-22
    1.1.1 加速度计的基本概念  18-20
    1.1.2 加速度计的发展历史及现状  20-22
  1.2 光学加速度计的研究现状  22-32
    1.2.1 光纤加速度计  22-28
    1.2.2 微光机电加速度计  28-30
    1.2.3 激光加速度计  30-32
  1.3 论文研究思路及结构安排  32-37
    1.3.1 研究背景及研究思路  32-34
    1.3.2 论文结构安排  34-37
第二章激光加速度计系统的设计与分析  37-61
  2.1 基于激光谐振腔传感器的加速度测量方案的几种探索  37-49
    2.1.1 谐振腔传感器概述  37-40
    2.1.2 谐振腔传感器用于加速度测量的两个关键技术  40-45
    2.1.3 基于谐振腔传感器的加速度测量方案  45-49
  2.2 激光加速度计系统的基本结构与原理  49-55
    2.2.1 气体膜盒式激光加速度计  49-53
    2.2.2 密度梯度盒式激光加速度计  53-55
  2.3 影响气体膜盒式激光加速度计性能的主要因素分析及优化  55-58
    2.3.1 加速度传感器的输出信号分析  56
    2.3.2 温度对分辨率的影响及抑制方法  56-58
    2.3.3 传感气体对比例因子的影响及选择  58
  2.4 激光加速度计的静态性能估计  58-60
  2.5 本章总结  60-61
第三章激光器参数优化设计及模式分析方法研究  61-81
  3.1 激光器参数全局优化设计方法  61-70
    3.1.1 概述  61-63
    3.1.2 激光器输出功率的人工神经网络模型  63-67
    3.1.3 遗传算法用于激光器参数全局优化  67-69
    3.1.4 小结  69-70
  3.2 激光谐振腔模式的有限元传输矩阵分析方法  70-80
    3.2.1 概述  70-71
    3.2.2 多元件谐振腔模式的有限元传输矩阵法分析模型  71-73
    3.2.3 谐振腔模式计算误差与有限单元划分精细度  73-74
    3.2.4 谐振腔本征模式计算误差与有限单元划分精细度的经验关系  74-78
    3.2.5 计算实例与分析  78-79
    3.2.6 小结  79-80
  3.3 本章总结  80-81
第四章 Y 型腔正交偏振氦氖激光器  81-120
  4.1 引言  81-87
    4.1.1 双频激光干涉仪  81-83
    4.1.2 双折射效应双频激光器  83-85
    4.1.3 复合腔及其在激光技术中的应用  85-87
  4.2 Y 型腔正交偏振氦氖激光器的基本结构与基本原理  87-90
    4.2.1 基本结构  87-88
    4.2.2 基本原理  88-90
  4.3 Y 型腔正交偏振氦氖激光器激光器的基本特征  90-92
    4.3.1 激光器输出功率  90
    4.3.2 输出激光的横模和纵模特征  90-92
  4.4 Y 型腔正交偏振氦氖激光器的偏振特性  92-99
    4.4.1 偏振特性测试实验  92-93
    4.4.2 理论分析  93-99
  4.5 Y 型腔正交偏振氦氖激光器的光强调谐性质  99-109
    4.5.1 实验装置与实验方法  100-101
    4.5.2 实验结果与分析  101-109
  4.6 Y 型腔正交偏振激光器的频差调谐性质与频差闭锁特征  109-116
    4.6.1 频差调谐实验  109-113
    4.6.2 频差闭锁的经典理论分析  113-115
    4.6.3 频差闭锁的半经典理论分析  115-116
  4.7 Y 型腔正交偏振氦氖激光器的频差稳定性  116-117
  4.8 Y 型腔正交偏振氦氖激光器在精密测量中的应用  117-119
  4.9 本章总结  119-120
第五章磁场抑制Y 型腔正交偏振激光器频差闭锁的理论与实验研究  120-149
  5.1 引言  120-122
  5.2 横向磁场中Y 型腔正交偏振激光器增益介质的磁光效应  122-124
    5.2.1 磁线振双折射效应和磁线振二向色性  122-123
    5.2.2 塞曼效应  123-124
  5.3 横向磁场抑制Y 型腔正交偏振激光器频差闭锁研究  124-134
    5.3.1 横向磁场对耦合强度影响的理论研究  124-129
    5.3.2 横向磁场抑制频差闭锁的实验与分析  129-134
  5.4 横向交互磁场抑制Y 型腔正交偏振激光器频差闭锁研究  134-148
    5.4.1 横向磁场中Y 型腔正交偏振双频激光器的频差失谐性质  134-138
    5.4.2 横向交互磁场抑制频差失谐的原理  138-139
    5.4.3 实验与分析  139-148
  5.5 本章总结  148-149
第六章气体膜盒式激光加速度计系统的实验研究  149-163
  6.1 微力测量实验研究  149-155
    6.1.1 微力测量概述  149-150
    6.1.2 微力测量系统与原理  150-152
    6.1.3 微力测量实验与分析  152-155
  6.2 加速度测量实验研究  155-160
    6.2.1 加速度测量的实验装置  155-157
    6.2.2 实验结果与分析  157-160
  6.3 激光加速度计的判向方法  160-161
  6.4 本章总结  161-163
第七章全文总结与展望  163-168
  7.1 主要研究工作  163-164
  7.2 论文主要创新工作  164-166
  7.3 后续工作展望  166-168
致谢  168-170
参考文献  170-183
作者在学期间取得的学术成果  183-185
附录A 格拉斯通-戴尔（Gladstone-Dale）常数  185-186
附录B 几种气体的物理和化学性质  186-187

基于Y型腔正交偏振双频激光器的激光加速度计初步研究

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