[發明專利]一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀及角速度的測量方法

在審

• 申請號: 202210947394.6
• 申請日: 2022-08-09
• 公開（公告）號: CN115307619A
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發明（設計）人: 曹志剛;陳家銘;劉斌;吳語燕;孫雨晗;汪玉琦;袁浩;呂亮;胡志家;俞本立
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72;G01C19/00
• 代理公司: 合肥云道爾知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 34230
• 代理人: 司楠

1.一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀，其特征在于：包括直波導、微環諧振腔、旋轉平臺、空間周期性微電極、耦合區、可調電壓源；

所述直波導與微環諧振腔處于耦合狀態，形成耦合區；

所述旋轉平臺與微環諧振腔相連接，旋轉平臺用于帶動微環諧振腔旋轉；

所述耦合區用于將入射光由直波導耦合進入微環諧振腔；

所述空間周期性微電極設置在微環諧振腔的非耦合圓弧區域，作用于微環諧振腔，施加周期分布電場對電極對應區域產生調制，形成周期性的折射率分布，產生一個調制深度可控的等效布拉格光柵，所述等效光柵可引起反射；

所述可調電壓源用于調節空間周期性微電極的電壓大小，調節電極對應區域折射率大小。

2.根據權利要求1所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀，其特征在于：所述微環諧振腔的材料為近紅外波段低損耗電光材料。

3.根據權利要求1所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀，其特征在于：所述微環諧振腔的材料為鈮酸鋰。

4.根據權利要求1所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀，其特征在于：所述空間周期性微電極位置固定，不與微環諧振腔接觸。

5.一種根據權利要求1-4任一項所述的基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的靈敏度控制方法，其特征在于：通過可調電壓源改變電壓大小調節電極對應區域處微環諧振腔的折射率大小，改變等效光柵的反射強度，影響微環諧振腔內順時針模式和逆時針模式的耦合強度，影響透射光譜兩模式劈裂程度實現陀螺儀檢測靈敏度控制。

6.一種根據權利要求1-4任一項所述的基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的角速度測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

入射光經由直波導通過耦合區進入微環諧振腔內，當入射光波長滿足諧振條件時，形成逆時針傳輸模式，在透射光譜上體現為諧振波長處有一個透射峰；通過空間周期性微電極對微環諧振腔電極對應區域產生折射率調制，等效形成布拉格光柵，當逆時針傳輸模式在折射率調制區域滿足布拉格反射條件后將會產生反射，形成順時針模式，兩模式發生相互耦合，在透射光譜上體現為模式劈裂；當旋轉平臺帶動微環諧振腔旋轉后，在透射光譜上體現為劈裂后的兩個模式透射率發生變化，通過測量透射率差值，即可測量出陀螺儀旋轉角速度。

7.根據權利要求6所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的角速度測量方法，其特征在于，所述陀螺儀旋轉角速度計算公式如下：

其中，ΔT為微環諧振腔透射率差值，T(ω)為微環諧振腔透射譜，ω₀為微環諧振腔諧振頻率，ω₊、ω_-分別為微環諧振腔在逆時針模式和順時針模式下不加電壓調制時施加旋轉后的諧振頻率，順時針模式耦合至逆時針模式的耦合系數為κ₊，逆時針模式耦合至順時針模式的耦合系數為κ_-；

其中薩格納克頻移n為微環諧振腔的折射率，R為微環諧振腔的半徑，Ω為微環諧振腔的轉速，c為真空中光速，λ為微環諧振腔的諧振波長。

8.根據權利要求7所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的角速度測量方法，其特征在于，所述微環諧振腔透射譜T(ω)的計算公式如下：

其中，i為單位虛數，μ_c為微環諧振腔與直波導的耦合率，ω為入射光場頻率，ω₊、ω_-分別為微環諧振腔在逆時針模式和順時針模式下不加電壓調制時施加旋轉后的諧振頻率，γ為微環諧振腔本征損耗，順時針模式耦合至逆時針模式的耦合系數為κ₊，逆時針模式耦合至順時針模式的耦合系數為κ_-。

9.根據權利要求7所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的角速度測量方法，其特征在于，微環諧振腔的折射率n計算公式如下：

ε為介電常數，μ₀為磁導率。

10.根據權利要求6所述的一種基于微腔結構檢測靈敏度可調的光學陀螺儀的角速度測量方法，其特征在于，空間周期性微電極調制形式表示如下：

其中為電壓調節引起的介電常數變化值，Δε_m為調制深度幅值，L為電壓調制相關參數，為方位角坐標。