光電子學(xué)與光學(xué)陀螺儀

光學(xué)陀螺作為一種慣性器件，從20世紀(jì)60年代開始起步，已經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展。作為諧振型光學(xué)陀螺代表的激光陀螺，已經(jīng)在航空、船舶等領(lǐng)域取得了巨大應(yīng)用成就，充分發(fā)揮了光學(xué)陀螺的高性能、高可靠優(yōu)勢。

引論參考文獻(xiàn)第1章波動(dòng)光學(xué)1.1光的電磁波性質(zhì)1.2Maxwell方程1.3光在自由空間中的傳播1.4Gauss光束1.5光的偏振1.6雙光束干涉1.7多光束干涉1.8光的相干性1.9光的衍射1.10Fresnel衍射1.11Fraunhofer衍射1.12衍射光柵1.13光學(xué)儀器的分辨率參考文獻(xiàn)第2章集成光電子學(xué)2.1概述2.2平面光波導(dǎo)2.3平面波導(dǎo)的光傳播模式2.4單模的平面波導(dǎo)2.5光波導(dǎo)模式的有效折射率2.6波導(dǎo)模式的電磁學(xué)描述2.7GoosHnchen位移2.8脊形波導(dǎo)2.9波導(dǎo)的傳輸損耗2.10彎曲波導(dǎo)2.11波導(dǎo)與光路的耦合2.12光波導(dǎo)傳輸損耗的測量參考文獻(xiàn)第3章光纖光學(xué)3.1概述3.2光纖結(jié)構(gòu)3.3光纖傳輸損耗3.4雙折射與偏振光纖3.5光纖材料3.6光纖元件參考文獻(xiàn)第4章量子光學(xué)4.1光的產(chǎn)生與輻射4.2Plank熱輻射理論4.3光電效應(yīng)4.4輻射壓力與Compton效應(yīng)4.5氫原子的光譜系列4.6Boor氫原子模型4.7Frank和Hertz的實(shí)驗(yàn)4.8氫原子的量子物理學(xué)模型4.9自由粒子的運(yùn)動(dòng)4.10在無限高墻一維勢能阱中的粒子4.11線性簡諧振蕩器4.12矩形勢能門檻的反射與透射4.13有限寬度的矩形勢能障礙區(qū)4.14隧道效應(yīng)4.15受激輻射與激光器參考文獻(xiàn)第5章激光振蕩5.1激光的特性5.2原子輻射5.3激光產(chǎn)生的條件5.4激光光譜與增寬5.5激光泵浦參考文獻(xiàn)第6章半導(dǎo)體激光器6.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)6.1.1能帶與Fermi能級(jí)6.1.2半導(dǎo)體中的光吸收與光增益6.2半導(dǎo)體激光器的種類6.2.1同質(zhì)結(jié)激光器6.2.2異質(zhì)結(jié)激光器6.2.3量子...

6.2.4垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器

6.3半導(dǎo)體激光器的材料

6.4激光二極管的輸出特性

6.5超輻射發(fā)光二極管參考文獻(xiàn)

第7章光學(xué)陀螺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

7.1概述

7.2干涉型光學(xué)陀螺儀的設(shè)計(jì)方法

7.2.1閉環(huán)式干涉型光學(xué)陀螺儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.2.2抑制標(biāo)度因數(shù)誤差的方法

7.2.3抑制零位漂移的方法

7.2.4抑制隨機(jī)游走的方法

7.2.5戰(zhàn)術(shù)級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)例

7.2.6戰(zhàn)略級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)例

7.3諧振型光學(xué)陀螺儀的設(shè)計(jì)方法

7.3.1雙向環(huán)形激光器的設(shè)計(jì)方法

7.3.2光路控制方法

7.3.3抖動(dòng)偏頻裝置的設(shè)計(jì)方法

7.3.4讀出裝置的設(shè)計(jì)方法

7.3.5導(dǎo)航級(jí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)例參考文獻(xiàn)

第8章窄帶二極管激光器

8.1概述

8.2諧振型集成光學(xué)陀螺對(duì)光源的要求

8.3二極管激光器用于有源腔集成光學(xué)陀螺的可行性

8.4分布反饋式二極管激光器的研制

8.5分布反饋式二極管激光器的設(shè)計(jì)方法

8.6外腔式二極管激光器的設(shè)計(jì)方法

8.7二極管激光器線寬的測試方法參考文獻(xiàn)

第9章寬帶光源

9.1超輻射發(fā)光二極管

9.1.1SLD工作原理

9.1.2管芯的封裝

9.1.3外延層的設(shè)計(jì)與工藝

9.1.4外延層的性能參數(shù)

9.1.5縱向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

9.1.6光譜特性的測試

9.1.7光功率特性的測試

9.1.8偏振特性的測試

9.2摻鉺超熒光光纖光源

9.2.1放大自發(fā)輻射

9.2.2雙程與單程結(jié)構(gòu)

9.2.3仿真計(jì)算

9.2.4功率特性

9.2.5光譜特性

9.2.6光譜特性的溫度穩(wěn)定性

9.2.7光纖陀螺對(duì)摻鉺光纖光源的反饋?zhàn)饔脜⒖嘉墨I(xiàn)

第10章集成光電子器件

10.1概述

10.2無源平面光波導(dǎo)材料的淀積

10.3光刻工藝

10.4干法刻蝕工藝10.5離子交換工藝

10.6無源Sagnac效應(yīng)敏感環(huán)

10.7有源Sagnac效應(yīng)敏感環(huán)參考文獻(xiàn)

第11章反射鏡式激光陀螺

11.1激光陀螺發(fā)展歷程

11.2反射鏡式激光陀螺總體方案

11.2.1三角形諧振腔激光陀螺和四邊形諧振腔激光陀螺

11.2.2單軸激光陀螺和三軸激光陀螺

11.2.3激光陀螺的偏頻方案

11.2.4激光諧振腔的模式選擇

11.3反射鏡式二頻激光陀螺

11.3.1反射鏡式激光諧振腔的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

11.3.2抖動(dòng)偏頻激光陀螺

11.3.3速率偏頻激光陀螺

11.3.4磁鏡偏頻激光陀螺

11.3.5塞曼偏頻激光陀螺

11.4反射鏡式四頻激光陀螺

11.4.1法拉第偏頻激光陀螺的基本原理

11.4.2非共面諧振腔的設(shè)計(jì)方案

11.4.3法拉第偏頻組件

11.4.4法拉第偏頻激光陀螺的特點(diǎn)參考文獻(xiàn)

第12章全反射棱鏡式激光陀螺

12.1全反射棱鏡式激光陀螺工作原理

12.1.1布儒斯特角

12.1.2全反射

12.1.3全反射棱鏡式激光陀螺工作原理

12.1.4全反射棱鏡式激光陀螺的特點(diǎn)

12.2全反射棱鏡式激光陀螺誤差分析

全反射棱鏡式激光陀螺自洽場方程組

12.2.2無源環(huán)形腔中波動(dòng)方程的解

12.2.3全反射棱鏡式激光陀螺自洽方程組

12.2.4全反射棱鏡式激光陀螺比例因子修正

12.2.5全反射棱鏡式激光陀螺零位漂移

12.2.6全反射棱鏡式激光陀螺閉鎖效應(yīng)

12.3全反射棱鏡式激光陀螺設(shè)計(jì)技術(shù)

12.3.1全反射棱鏡式激光諧振腔設(shè)計(jì)

12.3.2頻率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.3.3光強(qiáng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.3.4抖動(dòng)偏頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

12.4全反射棱鏡式激光陀螺檢測技術(shù)

12.4.1全反射棱鏡式激光陀螺應(yīng)力檢測

12.4.2全反射棱鏡式激光陀螺增損比檢測

12.4.3全反射棱鏡式激光陀螺模態(tài)檢測

12.4.4全反射棱鏡式激光陀螺閾值電壓檢測

12.5全反射棱鏡式雙縱模激光陀螺

12.5.1全反射棱鏡式激光陀螺自適應(yīng)雙縱模穩(wěn)頻技術(shù)

12.5.2雙縱模自偏頻理論參考文獻(xiàn)

第13章激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

13.1激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通則1

3.1.1激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本組成

13.1.2激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的力學(xué)編排

13.1.3激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差模型

13.1.4激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本導(dǎo)航算法

13.1.5激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)

13.1.6激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

13.2抖動(dòng)偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

13.2.1抖動(dòng)偏頻激光陀螺儀表級(jí)預(yù)處理

13.2.2抖動(dòng)偏頻激光陀螺IMU的標(biāo)定

13.2.3系統(tǒng)內(nèi)桿臂補(bǔ)償

13.2.4慣導(dǎo)系統(tǒng)溫度補(bǔ)償

13.2.5抖動(dòng)偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的典型應(yīng)用

13.3法拉第偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

13.3.1法拉第偏頻激光陀螺尋北儀

13.3.2法拉第偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的典型應(yīng)用

13.4速率偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)

13.4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

13.4.2速率偏頻激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的典型應(yīng)用

13.5激光陀螺在常規(guī)彈藥中的應(yīng)用

13.5.1傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)

13.5.2幾種精確制導(dǎo)彈藥參考文獻(xiàn)

第14章激光陀螺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

14.1概述

14.2棱鏡式激光陀螺儀

14.3反射鏡式激光陀螺儀

14.4無源腔激光陀螺儀

14.4.1無源腔激光陀螺的實(shí)驗(yàn)裝置

14.4.2閉鎖閾值的測試方法

14.4.3閉鎖閾值的測試結(jié)果

14.5固態(tài)激光陀螺儀

14.6脈沖式激光陀螺儀

14.6.1脈沖式染料激光陀螺的實(shí)驗(yàn)研究

14.6.2脈沖式鈦寶石激光陀螺的實(shí)驗(yàn)研究

14.6.3脈沖式激光陀螺原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)

14.6.4脈沖式激光陀螺的設(shè)計(jì)

14.7微型激光陀螺儀參考文獻(xiàn)

第15章干涉式光纖陀螺儀

15.1光纖陀螺最小互易結(jié)構(gòu)

15.2干涉式光纖陀螺技術(shù)方案

15.2.1光學(xué)結(jié)構(gòu)

15.2.2信號(hào)處理方法

15.3戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺技術(shù)

15.3.1戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺器件技術(shù)

15.3.2戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺系統(tǒng)技術(shù)

15.3.3戰(zhàn)略級(jí)光纖陀螺研究現(xiàn)狀

15.4光子晶體光纖陀螺

15.4.1光子晶體光纖

15.4.2光子晶體光纖陀螺的關(guān)鍵技術(shù)

15.4.3光子晶體光纖陀螺的研究現(xiàn)狀

15.5光纖陀螺空間應(yīng)用技術(shù)

15.5.1光纖輻射效應(yīng)及其對(duì)陀螺的影響

15.5.2抗輻照加固技術(shù)

15.5.3耐熱真空設(shè)計(jì)

15.5.4故障診斷與重構(gòu)參考文獻(xiàn)

第16章光纖陀螺及其導(dǎo)航系統(tǒng)

16.1光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

16.2光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型

16.2.1器件誤差模型

16.2.2系統(tǒng)誤差模型

16.3光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)定與對(duì)準(zhǔn)方法

16.3.1器件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)標(biāo)定

16.3.2靜基座對(duì)準(zhǔn)

16.3.3飛行對(duì)準(zhǔn)及傳遞對(duì)準(zhǔn)

16.4光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用

16.4.1陸用光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

16.4.2航空光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

16.4.3海用光纖捷聯(lián)羅經(jīng)

16.4.4彈用光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

16.4.5空間應(yīng)用光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

16.4.6民用光纖捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)參考文獻(xiàn)

第17章循環(huán)干涉型光學(xué)陀螺

17.1概述

17.2循環(huán)干涉型光纖陀螺的系統(tǒng)方案

17.3循環(huán)干涉型光纖陀螺的理論分析

17.3.1光強(qiáng)傳遞函數(shù)

17.3.2標(biāo)度因數(shù)

17.3.3信噪比和分辨率

17.3.4正弦調(diào)制特性分析

17.4循環(huán)干涉型光纖陀螺的實(shí)驗(yàn)

17.4.1光波多次循環(huán)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

17.4.2循環(huán)干涉型光纖陀螺的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

17.5有源循環(huán)干涉型光纖陀螺參考文獻(xiàn)

第18章集成光學(xué)陀螺儀

18.1概述18.2發(fā)展歷程

18.2.1有源集成光學(xué)陀螺

18.2.2無源集成光學(xué)陀螺

18.3總體方案

18.3.1光學(xué)元器件

18.3.2波導(dǎo)諧振腔

18.3.3信號(hào)檢測方案

18.4誤差分析

18.4.1背向散射噪聲

18.4.2偏振噪聲

18.4.3克爾噪聲

參考文獻(xiàn)

附錄A量子光學(xué)中的數(shù)學(xué)工具

A.1隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特性

A.2隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性

A.3量子物理學(xué)的基本定律

A.4不確定性關(guān)系與Schrdinger方程

A.5量子物理學(xué)中的算子及其特性

A.6重要物理量的算子

A.7算子形式的Schrdinger方程

附錄BSagnac效應(yīng)

附錄C捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識(shí)

C.1捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概述

C.2捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)常用坐標(biāo)系定義

C.3坐標(biāo)系之間的關(guān)系

C.4捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)算法編排名詞索引

本書是介紹光學(xué)陀螺儀最新進(jìn)展的學(xué)術(shù)專著，內(nèi)容包括：光電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)；光學(xué)陀螺儀及其關(guān)鍵器件的工作原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法與研究進(jìn)展；光學(xué)陀螺的導(dǎo)航系統(tǒng)。為了開發(fā)具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型光學(xué)陀螺產(chǎn)品，本書還探討了多種新型光學(xué)陀螺儀的可行性，包括激光陀螺儀、光纖陀螺儀和集成光學(xué)陀螺儀。本書可供電子工程、微電子、精密儀器與機(jī)械等專業(yè)的高校師生、研究院所的科研人員及生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)人員閱讀參考。

光電子學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，已制成和正在研制的光電子器件品種繁多。從能源角度來看，可將光能轉(zhuǎn)換成電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成光能。前者有晶態(tài)和非晶態(tài)太陽能電池，小者可用于電子表和電子計(jì)算器，大者可制成太陽能電站；后者有以電驅(qū)動(dòng)的發(fā)光光源，如放電燈、霓虹燈、熒光燈、場致或陰極射線發(fā)光屏、發(fā)光二極管等。從信息角度來看，可利用光發(fā)射、放大、調(diào)制、加工處理、存儲(chǔ)、測量、顯示等技術(shù)和元件，構(gòu)成具有特定功能的光電子學(xué)系統(tǒng)。例如，利用光纖通信可以實(shí)現(xiàn)迅速和大容量信息傳送的目的。它使原來類似的技術(shù)水平得到大幅度的提高。

人所接受的信息，大約80%是由光通過眼睛輸入的。然而，人眼的局限性大大地限制了人類獲得光信息的能力，因而需要擴(kuò)展人眼的功能。

第一、要擴(kuò)展人眼在低照度下的視覺能力，提供各種夜視裝備以便能在低照度下進(jìn)行科研和生產(chǎn)活動(dòng)，或在夜間進(jìn)行偵察和戰(zhàn)斗。

第二、要擴(kuò)展人眼對(duì)電磁波波段的敏感范圍。已制成將紅外線、紫外線和X射線的光圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的直視式或電視式光電子學(xué)裝置。利用這些原理還可以擴(kuò)展到觀察中子和其他帶電粒子所形成的圖像。

第三、要擴(kuò)展人眼對(duì)光學(xué)過程的時(shí)間分辨本領(lǐng)，例如已經(jīng)做到在幾十飛秒（10^（-15）秒）內(nèi)就可觀察到信息的變化。

光電子學(xué)的發(fā)展，依賴于光-電和電-光轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳輸、加工處理和存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)所依據(jù)的物理現(xiàn)象和原理，主要是光與物質(zhì)的相互作用。它涉及到折射和反射等光束的傳播規(guī)律（幾何光學(xué)）；衍射、干涉、偏振和色散等光波的傳播規(guī)律（物理光學(xué)）；熱輻射、光致發(fā)光、場致發(fā)光、電子轟擊發(fā)光和受激輻射等發(fā)光規(guī)律；各類元激發(fā)、元激發(fā)之間的相互作用和動(dòng)力學(xué)過程等的機(jī)理（量子光學(xué)）；光電導(dǎo)、光電發(fā)射和光生電動(dòng)勢等光電轉(zhuǎn)換機(jī)理;光全息技術(shù);光學(xué)系統(tǒng)（應(yīng)用光學(xué)）和光學(xué)系統(tǒng)的集成（集成光學(xué)）；視覺過程和肉眼對(duì)光的反應(yīng)（生理光學(xué)）；以及對(duì)快速和微弱光電信息的探測和處理等。這些技術(shù)的使用還需要電子技術(shù)的配合，才能構(gòu)成具有特殊功能的儀器、設(shè)備或系統(tǒng)。

光電子學(xué)系統(tǒng)的關(guān)鍵是光電子器件。當(dāng)光電子器件的工作原理確定后，其性能就與制作這些器件的材料的性能和加工工藝密切相關(guān)?？梢哉f，改善材料的性能和制作工藝，是提高光電子器件水平的關(guān)鍵。 2100433B

振動(dòng)陀螺儀音叉振動(dòng)陀螺儀

音叉振動(dòng)陀螺儀又稱音叉諧振陀螺儀。它利用音叉端部的振動(dòng)質(zhì)量被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來敏感角速度。從功能上看，它屬于單軸速率陀螺儀。

音叉的雙臂在激振裝置的激勵(lì)下做相向和相背交替的往復(fù)彎曲運(yùn)動(dòng)，音叉兩端部的質(zhì)量就做相向和相背交替的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。激振裝置保證了音叉做等幅振蕩運(yùn)動(dòng)，雙臂振蕩的幅值相等，而相位恰好相反。

音叉振動(dòng)陀螺儀的哥氏效應(yīng)可以用下圖來說明，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)的相互影響，音叉端部兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)均具有哥氏加速度，并受到哥氏慣性力的作用。當(dāng)音叉端部的質(zhì)點(diǎn)做相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其哥氏加速度大小為

兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的哥氏慣性力矢量在xoz平面上，由此對(duì)音叉中心軸形成轉(zhuǎn)矩，即哥氏慣性力矩，其大小為

其中s為音叉兩端質(zhì)點(diǎn)與y軸的垂直距離，方向如圖1中所示。

若音叉兩端部的質(zhì)點(diǎn)做相背運(yùn)動(dòng)時(shí)，則相對(duì)速度、哥氏速度、哥氏加速度、哥氏慣性力和哥氏慣性力矩都和圖中的方向相反。

除了音叉端部兩質(zhì)點(diǎn)有上述現(xiàn)象外，音叉兩臂上所有對(duì)稱位置上的質(zhì)點(diǎn)都會(huì)出現(xiàn)上述哥氏效應(yīng)，所以整個(gè)音叉的哥氏慣性力矩應(yīng)當(dāng)通過積分來求得，通過積分輸出的結(jié)果便可以反推出角速度信息。

振動(dòng)陀螺儀殼體振動(dòng)陀螺儀

殼體振動(dòng)陀螺儀利用軸對(duì)稱殼的振動(dòng)質(zhì)量在角速度作用下的哥氏效應(yīng)而工作。在這種陀螺儀中，哥氏效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果是振動(dòng)波形相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)。

殼體振動(dòng)陀螺儀的核心部分是諧振殼體或稱諧振子，利用諧振子振型相對(duì)基座的偏轉(zhuǎn)來度量基座相對(duì)慣性空間的旋轉(zhuǎn)。振型偏轉(zhuǎn)方向與基座轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，振型偏轉(zhuǎn)角度

諧振子振型的偏轉(zhuǎn)通過哥氏加速度和哥氏慣性力從得到，也即通過諧振子在角速度作用下的哥氏效應(yīng)得到相應(yīng)的諧振子振型的偏轉(zhuǎn)角度，由此便可以從殼體振動(dòng)陀螺儀輸出信息中反推出角速度信息。

振動(dòng)陀螺儀微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀

微機(jī)械振動(dòng)陀螺儀是固態(tài)的角速度傳感器，以壓電杯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)測量 coriolis 力.保證陀螺儀輸出和角速度成正比的高精度電壓信號(hào)。其一般測量范圍 為0- 1500°/s ，單極或兩極的輸出電壓可供選擇使用。