光电子学与光学陀螺仪

光学陀螺作为一种惯性器件，从20世纪60年代开始起步，已经历了半个世纪的发展。作为谐振型光学陀螺代表的激光陀螺，已经在航空、船舶等领域取得了巨大应用成就，充分发挥了光学陀螺的高性能、高可靠优势。

引论参考文献第1章波动光学1.1光的电磁波性质1.2Maxwell方程1.3光在自由空间中的传播1.4Gauss光束1.5光的偏振1.6双光束干涉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衍射光栅1.13光学仪器的分辨率参考文献第2章集成光电子学2.1概述2.2平面光波导2.3平面波导的光传播模式2.4单模的平面波导2.5光波导模式的有效折射率2.6波导模式的电磁学描述2.7GoosHnchen位移2.8脊形波导2.9波导的传输损耗2.10弯曲波导2.11波导与光路的耦合2.12光波导传输损耗的测量参考文献第3章光纤光学3.1概述3.2光纤结构3.3光纤传输损耗3.4双折射与偏振光纤3.5光纤材料3.6光纤元件参考文献第4章量子光学4.1光的产生与辐射4.2Plank热辐射理论4.3光电效应4.4辐射压力与Compton效应4.5氢原子的光谱系列4.6Boor氢原子模型4.7Frank和Hertz的实验4.8氢原子的量子物理学模型4.9自由粒子的运动4.10在无限高墙一维势能阱中的粒子4.11线性简谐振荡器4.12矩形势能门槛的反射与透射4.13有限宽度的矩形势能障碍区4.14隧道效应4.15受激辐射与激光器参考文献第5章激光振荡5.1激光的特性5.2原子辐射5.3激光产生的条件5.4激光光谱与增宽5.5激光泵浦参考文献第6章半导体激光器6.1半导体基础知识6.1.1能带与Fermi能级6.1.2半导体中的光吸收与光增益6.2半导体激光器的种类6.2.1同质结激光器6.2.2异质结激光器6.2.3量子...

6.2.4垂直腔表面发射半导体激光器

6.3半导体激光器的材料

6.4激光二极管的输出特性

6.5超辐射发光二极管参考文献

第7章光学陀螺系统的设计方法

7.1概述

7.2干涉型光学陀螺仪的设计方法

7.2.1闭环式干涉型光学陀螺仪的系统结构

7.2.2抑制标度因数误差的方法

7.2.3抑制零位漂移的方法

7.2.4抑制随机游走的方法

7.2.5战术级产品设计的实例

7.2.6战略级产品设计的实例

7.3谐振型光学陀螺仪的设计方法

7.3.1双向环形激光器的设计方法

7.3.2光路控制方法

7.3.3抖动偏频装置的设计方法

7.3.4读出装置的设计方法

7.3.5导航级产品设计的实例参考文献

第8章窄带二极管激光器

8.1概述

8.2谐振型集成光学陀螺对光源的要求

8.3二极管激光器用于有源腔集成光学陀螺的可行性

8.4分布反馈式二极管激光器的研制

8.5分布反馈式二极管激光器的设计方法

8.6外腔式二极管激光器的设计方法

8.7二极管激光器线宽的测试方法参考文献

第9章宽带光源

9.1超辐射发光二极管

9.1.1SLD工作原理

9.1.2管芯的封装

9.1.3外延层的设计与工艺

9.1.4外延层的性能参数

9.1.5纵向结构的设计

9.1.6光谱特性的测试

9.1.7光功率特性的测试

9.1.8偏振特性的测试

9.2掺铒超荧光光纤光源

9.2.1放大自发辐射

9.2.2双程与单程结构

9.2.3仿真计算

9.2.4功率特性

9.2.5光谱特性

9.2.6光谱特性的温度稳定性

9.2.7光纤陀螺对掺铒光纤光源的反馈作用参考文献

第10章集成光电子器件

10.1概述

10.2无源平面光波导材料的淀积

10.3光刻工艺

10.4干法刻蚀工艺10.5离子交换工艺

10.6无源Sagnac效应敏感环

10.7有源Sagnac效应敏感环参考文献

第11章反射镜式激光陀螺

11.1激光陀螺发展历程

11.2反射镜式激光陀螺总体方案

11.2.1三角形谐振腔激光陀螺和四边形谐振腔激光陀螺

11.2.2单轴激光陀螺和三轴激光陀螺

11.2.3激光陀螺的偏频方案

11.2.4激光谐振腔的模式选择

11.3反射镜式二频激光陀螺

11.3.1反射镜式激光谐振腔的稳定性设计

11.3.2抖动偏频激光陀螺

11.3.3速率偏频激光陀螺

11.3.4磁镜偏频激光陀螺

11.3.5塞曼偏频激光陀螺

11.4反射镜式四频激光陀螺

11.4.1法拉第偏频激光陀螺的基本原理

11.4.2非共面谐振腔的设计方案

11.4.3法拉第偏频组件

11.4.4法拉第偏频激光陀螺的特点参考文献

第12章全反射棱镜式激光陀螺

12.1全反射棱镜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全反射棱镜式激光陀螺工作原理

12.1.4全反射棱镜式激光陀螺的特点

12.2全反射棱镜式激光陀螺误差分析

全反射棱镜式激光陀螺自洽场方程组

12.2.2无源环形腔中波动方程的解

12.2.3全反射棱镜式激光陀螺自洽方程组

12.2.4全反射棱镜式激光陀螺比例因子修正

12.2.5全反射棱镜式激光陀螺零位漂移

12.2.6全反射棱镜式激光陀螺闭锁效应

12.3全反射棱镜式激光陀螺设计技术

12.3.1全反射棱镜式激光谐振腔设计

12.3.2频率控制系统设计

12.3.3光强控制系统设计

12.3.4抖动偏频系统设计

12.4全反射棱镜式激光陀螺检测技术

12.4.1全反射棱镜式激光陀螺应力检测

12.4.2全反射棱镜式激光陀螺增损比检测

12.4.3全反射棱镜式激光陀螺模态检测

12.4.4全反射棱镜式激光陀螺阈值电压检测

12.5全反射棱镜式双纵模激光陀螺

12.5.1全反射棱镜式激光陀螺自适应双纵模稳频技术

12.5.2双纵模自偏频理论参考文献

第13章激光陀螺捷联惯性导航系统

13.1激光捷联惯导系统设计通则1

3.1.1激光捷联惯导系统的基本组成

13.1.2激光捷联惯导系统的力学编排

13.1.3激光捷联惯导系统的误差模型

13.1.4激光捷联惯导系统的基本导航算法

13.1.5激光捷联惯导系统的电气设计

13.1.6激光捷联惯导系统的结构设计

13.2抖动偏频激光捷联惯导系统

13.2.1抖动偏频激光陀螺仪表级预处理

13.2.2抖动偏频激光陀螺IMU的标定

13.2.3系统内杆臂补偿

13.2.4惯导系统温度补偿

13.2.5抖动偏频激光捷联惯导系统的典型应用

13.3法拉第偏频激光捷联惯导系统

13.3.1法拉第偏频激光陀螺寻北仪

13.3.2法拉第偏频激光捷联惯导系统的典型应用

13.4速率偏频激光捷联惯导系统

13.4.1系统设计

13.4.2速率偏频激光捷联惯导系统的典型应用

13.5激光陀螺在常规弹药中的应用

13.5.1传递对准技术

13.5.2几种精确制导弹药参考文献

第14章激光陀螺系统的结构

14.1概述

14.2棱镜式激光陀螺仪

14.3反射镜式激光陀螺仪

14.4无源腔激光陀螺仪

14.4.1无源腔激光陀螺的实验装置

14.4.2闭锁阈值的测试方法

14.4.3闭锁阈值的测试结果

14.5固态激光陀螺仪

14.6脉冲式激光陀螺仪

14.6.1脉冲式染料激光陀螺的实验研究

14.6.2脉冲式钛宝石激光陀螺的实验研究

14.6.3脉冲式激光陀螺原理样机的设计

14.6.4脉冲式激光陀螺的设计

14.7微型激光陀螺仪参考文献

第15章干涉式光纤陀螺仪

15.1光纤陀螺最小互易结构

15.2干涉式光纤陀螺技术方案

15.2.1光学结构

15.2.2信号处理方法

15.3战略级光纤陀螺技术

15.3.1战略级光纤陀螺器件技术

15.3.2战略级光纤陀螺系统技术

15.3.3战略级光纤陀螺研究现状

15.4光子晶体光纤陀螺

15.4.1光子晶体光纤

15.4.2光子晶体光纤陀螺的关键技术

15.4.3光子晶体光纤陀螺的研究现状

15.5光纤陀螺空间应用技术

15.5.1光纤辐射效应及其对陀螺的影响

15.5.2抗辐照加固技术

15.5.3耐热真空设计

15.5.4故障诊断与重构参考文献

第16章光纤陀螺及其导航系统

16.1光纤捷联惯性导航系统

16.2光纤捷联惯性导航系统误差模型

16.2.1器件误差模型

16.2.2系统误差模型

16.3光纤捷联惯性导航系统标定与对准方法

16.3.1器件级及系统级标定

16.3.2静基座对准

16.3.3飞行对准及传递对准

16.4光纤捷联惯性导航系统的应用

16.4.1陆用光纤陀螺惯性导航系统

16.4.2航空光纤捷联惯性导航系统

16.4.3海用光纤捷联罗经

16.4.4弹用光纤捷联惯性导航系统

16.4.5空间应用光纤捷联惯性导航系统

16.4.6民用光纤捷联惯性导航技术参考文献

第17章循环干涉型光学陀螺

17.1概述

17.2循环干涉型光纤陀螺的系统方案

17.3循环干涉型光纤陀螺的理论分析

17.3.1光强传递函数

17.3.2标度因数

17.3.3信噪比和分辨率

17.3.4正弦调制特性分析

17.4循环干涉型光纤陀螺的实验

17.4.1光波多次循环的实验验证

17.4.2循环干涉型光纤陀螺的系统实验

17.5有源循环干涉型光纤陀螺参考文献

第18章集成光学陀螺仪

18.1概述18.2发展历程

18.2.1有源集成光学陀螺

18.2.2无源集成光学陀螺

18.3总体方案

18.3.1光学元器件

18.3.2波导谐振腔

18.3.3信号检测方案

18.4误差分析

18.4.1背向散射噪声

18.4.2偏振噪声

18.4.3克尔噪声

参考文献

附录A量子光学中的数学工具

A.1随机变量的统计特性

A.2随机过程的统计特性

A.3量子物理学的基本定律

A.4不确定性关系与Schrdinger方程

A.5量子物理学中的算子及其特性

A.6重要物理量的算子

A.7算子形式的Schrdinger方程

附录BSagnac效应

附录C捷联惯性导航系统基础理论知识

C.1捷联惯性导航系统概述

C.2捷联惯性导航系统常用坐标系定义

C.3坐标系之间的关系

C.4捷联惯导系统算法编排名词索引

本书是介绍光学陀螺仪最新进展的学术专著，内容包括：光电子学的基础知识；光学陀螺仪及其关键器件的工作原理、结构、设计方法与研究进展；光学陀螺的导航系统。为了开发具有我国自主知识产权的新型光学陀螺产品，本书还探讨了多种新型光学陀螺仪的可行性，包括激光陀螺仪、光纤陀螺仪和集成光学陀螺仪。本书可供电子工程、微电子、精密仪器与机械等专业的高校师生、研究院所的科研人员及生产企业的技术人员阅读参考。

光电子学的应用非常广泛，已制成和正在研制的光电子器件品种繁多。从能源角度来看，可将光能转换成电能，或将电能转换成光能。前者有晶态和非晶态太阳能电池，小者可用于电子表和电子计算器，大者可制成太阳能电站；后者有以电驱动的发光光源，如放电灯、霓虹灯、荧光灯、场致或阴极射线发光屏、发光二极管等。从信息角度来看，可利用光发射、放大、调制、加工处理、存储、测量、显示等技术和元件，构成具有特定功能的光电子学系统。例如，利用光纤通信可以实现迅速和大容量信息传送的目的。它使原来类似的技术水平得到大幅度的提高。

人所接受的信息，大约80%是由光通过眼睛输入的。然而，人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的能力，因而需要扩展人眼的功能。

第一、要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或在夜间进行侦察和战斗。

第二、要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成将红外线、紫外线和X射线的光图像转换成可见光图像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。

第三、要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如已经做到在几十飞秒（10^（-15）秒）内就可观察到信息的变化。

光电子学的发展，依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。这些技术所依据的物理现象和原理，主要是光与物质的相互作用。它涉及到折射和反射等光束的传播规律（几何光学）；衍射、干涉、偏振和色散等光波的传播规律（物理光学）；热辐射、光致发光、场致发光、电子轰击发光和受激辐射等发光规律；各类元激发、元激发之间的相互作用和动力学过程等的机理（量子光学）；光电导、光电发射和光生电动势等光电转换机理;光全息技术;光学系统（应用光学）和光学系统的集成（集成光学）；视觉过程和肉眼对光的反应（生理光学）；以及对快速和微弱光电信息的探测和处理等。这些技术的使用还需要电子技术的配合，才能构成具有特殊功能的仪器、设备或系统。

光电子学系统的关键是光电子器件。当光电子器件的工作原理确定后，其性能就与制作这些器件的材料的性能和加工工艺密切相关。可以说，改善材料的性能和制作工艺，是提高光电子器件水平的关键。 2100433B

振动陀螺仪音叉振动陀螺仪

音叉振动陀螺仪又称音叉谐振陀螺仪。它利用音叉端部的振动质量被基座带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度。从功能上看，它属于单轴速率陀螺仪。

音叉的双臂在激振装置的激励下做相向和相背交替的往复弯曲运动，音叉两端部的质量就做相向和相背交替的往复直线运动。激振装置保证了音叉做等幅振荡运动，双臂振荡的幅值相等，而相位恰好相反。

音叉振动陀螺仪的哥氏效应可以用下图来说明，由于相对运动和牵连运动的相互影响，音叉端部两个质点均具有哥氏加速度，并受到哥氏惯性力的作用。当音叉端部的质点做相向运动时，其哥氏加速度大小为

两个质点的哥氏惯性力矢量在xoz平面上，由此对音叉中心轴形成转矩，即哥氏惯性力矩，其大小为

其中s为音叉两端质点与y轴的垂直距离，方向如图1中所示。

若音叉两端部的质点做相背运动时，则相对速度、哥氏速度、哥氏加速度、哥氏惯性力和哥氏惯性力矩都和图中的方向相反。

除了音叉端部两质点有上述现象外，音叉两臂上所有对称位置上的质点都会出现上述哥氏效应，所以整个音叉的哥氏惯性力矩应当通过积分来求得，通过积分输出的结果便可以反推出角速度信息。

振动陀螺仪壳体振动陀螺仪

壳体振动陀螺仪利用轴对称壳的振动质量在角速度作用下的哥氏效应而工作。在这种陀螺仪中，哥氏效应所导致的结果是振动波形相对基座的偏转。

壳体振动陀螺仪的核心部分是谐振壳体或称谐振子，利用谐振子振型相对基座的偏转来度量基座相对惯性空间的旋转。振型偏转方向与基座转动方向相反，振型偏转角度

谐振子振型的偏转通过哥氏加速度和哥氏惯性力从得到，也即通过谐振子在角速度作用下的哥氏效应得到相应的谐振子振型的偏转角度，由此便可以从壳体振动陀螺仪输出信息中反推出角速度信息。

振动陀螺仪微机械振动陀螺仪

微机械振动陀螺仪是固态的角速度传感器，以压电杯结构设计测量 coriolis 力.保证陀螺仪输出和角速度成正比的高精度电压信号。其一般测量范围 为0- 1500°/s ，单极或两极的输出电压可供选择使用。