光纖陀螺的工作原理

2020-12-13 電子發燒友

光纖陀螺的工作原理

本站 發表於 2009-02-23 11:53:08

光纖陀螺的工作原理

光纖陀螺的基本工作原理來自Sagnac效應。Sagnac效應是相對於慣性空間轉動的閉環光路中斷傳播光的一種普遍的相關效應，即在同一閉合光路中從同一光源發出的兩束特徵相同的光，以互為相反的方向傳輸並最後匯聚到同一探測點；若繞垂直於閉合光路所在平面的垂線，相對慣性空間存在著旋轉角速度，則正、反兩束光走過的光程不等，產生光程差。理論上可以證明，其光程差與旋轉角速度成正比，即

式中 L為光纖長度；D為光纖環直徑；λ為光波長；c為真空中光速；Ω為轉動角速度。
使用低損耗單模光纖形成環狀，其總長L可達幾百米甚至上千米，可大幅度地提高環形幹涉儀的靈敏度，即使是微小的轉動也能夠產生可探測的相位差。因為光纖環內的單模光纖處於雙光束幹涉狀態，其輸出光強可表示為

式中 I0為Imax/2。由式(1)和(2)可知，輸出光強是角速度的餘弦函數，如圖1所示。由圖1可知，無論Ω是正還是負，I值讀數不變，即輸出光強不能反映旋轉的方向。同時，小信號靈敏度低，在多數場合的Sagnac相移很小，而系統靈敏度dI/dΩ在Ω=0處為0。為此，在兩束反向傳輸光之間引入90o的相位差，導致輸出光強變成I=I0(1−sinϕs)。顯然，經過90o的相位差的陀螺在Ω=0處的靈敏度即dI/dΩ達到最大值，同時解決了輸出I能反映旋轉方向的問題。
圖2表示的互易性結構是光纖陀螺的基本原理結構，能完全保證陀螺在靜止狀態下順、逆時針光波的光程相等。耦合器的功能在於使返回光耦合出一部分到探測器，作為陀螺的光輸出。偏振器位於光纖環與耦合器之間，使單模光保持單偏振狀態，從而消除光纖雙折射變化對陀螺性能的影響。當順、逆時針兩光波通過光纖環時，由於路徑不一致，造成它們在不同時間經過相位調製器。設其時間差為τ，相位調製器的結果為將式(3)代入式(2)，則陀螺的光輸出有

圖2 光纖陀螺原理圖
以正弦信號調製為例，設ϕ(t)=ϕm sin(ωt)，代入式(4)，則得

式中 η=2ϕmsin(ωτ/2)。當陀螺靜止時，其輸出只有調製頻率ω的偶次諧波；旋轉時，其輸出將有奇次諧波。採用鎖定放大器檢測一次諧波，則得到陀螺輸出為式中 K為電壓增益，通常η選值是1.84 rad，貝塞爾函數J1(η)取最大值0.53，正弦波調製如圖3所示。利用式(6)，根據檢測出的Iω，則可求解ϕs，再用式(1)得到角速度Ω。圖2中的集成光學相位調製器，一個用於偏置信號調製，另一個用於反饋信號調製，以提供反饋相移形成閉環陀螺。

圖3 正弦波偏置調製

光纖陀螺用Y分支集成光學調製器的研究

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