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研究人员提高了基于光的光纤传感器的性能

科学家通过改善谐振器光纤陀螺仪的性能取得了重大突破。—一种使用光感应旋转的光纤传感器。

研究人员并入了一种新型的中空光纤,称为无节点反谐振光纤,以提高谐振器光纤陀螺仪的性能。
研究人员并入了一种新型的中空光纤,称为无节点反谐振光纤,以提高谐振器光纤陀螺仪的性能。这些陀螺仪有一天可以成为导航技术的基础,该导航技术比今天更紧凑,更准确’的系统。图片提供:南安普顿大学光电研究中心的Gregory T. Jasion。

由于陀螺仪构成了大多数导航系统的基础,因此最新的研究有一天可能会给此类系统带来重大的改进。

高性能陀螺仪用于许多类型的空中,地面,海洋和太空应用中的导航,”霍尼韦尔国际公司研究小组负责人格伦·桑德斯说。

尽管我们的陀螺仪仍处于开发的早期阶段,但如果它能够发挥其全部性能,它将成为下一代制导和导航技术之一,不仅可以提高精度,而且可以减小尺寸和重量。 .

霍尼韦尔国际公司的Glen A.Sanders

来自国际霍尼韦尔大学和英国南安普敦大学光电研究中心的研究小组展示了他们如何有效地应用新型空心光纤来解决许多制约早期谐振器光纤性能的因素。光学陀螺仪。该研究发表于 光学字母,《 光学学会 (OSA)。

通过这种方法,研究人员甚至能够将陀螺仪稳定性方面最具挑战性的性能要求提高多达以前发表的涉及空心纤维的研究的500倍。

我们希望看到这些陀螺仪用于下一代民航,自动驾驶汽车以及采用导航系统的许多其他应用。实际上,随着我们提高制导和导航系统的性能,我们希望打开全新的功能和应用程序.

霍尼韦尔国际公司的Glen A.Sanders

用光感应旋转

谐振器光纤陀螺仪使用的两个激光器沿相反方向通过光纤线圈。光纤末端被链接起来以形成一个光学谐振器,从而使大部分光再循环并绕光纤线圈进行多次行程。

当线圈处于非活动状态时,双向传播的光束共享相同类型的共振频率。然而, 当线圈旋转时,谐振频率彼此相对移动,这种方式可以用来确定放置陀螺仪的设备或车辆的方向或运动方向。

长期以来,霍尼韦尔国际公司一直在设计谐振器光纤陀螺仪技术,因为与当前的传感器相比,该仪器能够在更紧凑的设备中提供高精度导航。

但是科学家发现,很难检测出一种光纤,即使在这种陀螺仪所需的超细激光线宽下,即使是中等水平的激光功率,也不会引起影响传感器性能的非线性影响。

在2006年,我们提出将空心光纤用于谐振器光纤陀螺仪。由于这些纤维将光限制在中央空气或充满气体的空隙中,因此基于它们的传感器不会’受基于固体纤维的传感器困扰的非线性影响.

霍尼韦尔国际公司的Glen A.Sanders

使用更好的纤维

在由南安普敦大学的奥斯汀·塔兰塔(Austin Taranta)领导的最新研究中,研究小组着手研究一种新型的中空纤维是否可以提供更多的增强效果。新型光纤被称为无节点反谐振光纤(NANF),其非线性效应甚至比其他种类的空心光纤还低。

此外,NANF表现出较低的光学衰减,这提高了谐振器的质量,因为光可以在通过光纤的扩展传播长度上维持其强度。实际上,与所有中空纤维相比,已证明这种纤维具有最低的光损耗,并且对于许多光谱成分而言,在所有光纤中具有最低的光损耗。

对于谐振器光纤陀螺仪,光应仅沿单个方向通过光纤。 NANF通过消除由模态杂质,偏振耦合和反向散射引起的光学缺陷来实现此目的,众所周知,这些缺陷可能是陀螺仪中额外噪声或误差的来源。消除此类光学错误甚至消除了其他类型光纤技术的最主要性能限制。

尽管此传感器的骨干是新型光纤,但在以前所未有的精度检测共振频率时,我们还努力降低了噪声,” Sanders added. “这对于提高性能并朝着缩小传感器的方向至关重要 .”

实现长期稳定

霍尼韦尔国际公司的研究人员进行了实验室研究,以定义最新的光纤陀螺仪传感器在恒定旋转条件下(即仅在地球旋转的情况下)的性能。这个事实建立了'bias stability' of the instrument.

To remove disturbances and 没有 ise in the free-space optical setup, the researchers mounted the gyroscope on a stable, static pier. They subsequently integrated the NANFs and showed a long-term 偏差稳定性 of 0.05°每小时,这接近驾驶民用飞机所需的水平。

通过在这种极为苛刻的应用中证明NANF的高性能,我们希望展示出这些光纤在其他精密科学谐振腔中使用的非凡前景。,” Taranta stated.

目前,该团队正在寻找创建具有更稳定和紧凑配置的原型陀螺仪的方法。他们还计划整合新一代的NANF,这种NANF的光损耗提高了四倍,偏振和模态纯度也更高。

期刊参考:

桑德斯(G. A.), 。 (2020)使用无节点反谐振光纤的空心谐振器光纤陀螺仪。 光学字母。 doi.org/10.1364/OL.410387.

资源: //www.osa.org/

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