阅读说明：本技术 用于环形激光陀螺仪的增强型固态增益介质 (Enhanced solid-state gain medium for ring laser gyroscope ) 是由 艾伦·布鲁斯·塔弛贝里 吴剑峰 兰斯·维里泽 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：本公开一般涉及用于环形激光陀螺仪的增强型固态增益介质。本发明公开了多层镜、环形激光陀螺仪和方法。例如,多层镜包括多个交替的高折射率光学材料层和低折射率光学材料层,设置在多个交替层上的光学材料的放大层,以及设置在光学材料放大层的最外表面上的抗反射材料涂层。(The present disclosure relates generally to an enhanced solid-state gain medium for a ring laser gyroscope. The invention discloses a multilayer mirror, a ring laser gyroscope and a method. For example, a multilayer mirror includes a plurality of alternating layers of high and low refractive index optical materials, a magnifying layer of optical material disposed on the plurality of alternating layers, and a coating of antireflective material disposed on an outermost surface of the magnifying layer of optical material.)

用于环形激光陀螺仪的增强型固态增益介质

背景技术

环形激光陀螺仪(RLG)已经在惯性导航领域中利用了数十年以测量角运动或旋转。利用环形激光器测量角运动的概念于1963年首次公开发表。环形激光器利用低压氦-氖气体放电作为有源增益介质，并且由氦-氖气体放电增益介质驱动的RLG从那时起就被利用。然而，虽然现有的氦-氖气体放电RLG在惯性导航和其他测量领域中已经适当地进行，但是这些氦-氖气体放电RLG具有与气体放电本身相关的显著的寿命、可靠性、性能和尺寸限制。而且，氦-氖气体放电RLG制造昂贵。

已知利用固态增益介质代替氦-氖气体混合物的RLG。从制造的角度来看，这种固态增益介质RLG在减小尺寸、劳动力和制造成本方面可以提供优于氦-氖气体放电RLG的显著节省。而且，这种固态增益介质RLG在增加可靠性和寿命方面可以提供优于氦-氖气体放电RLG的显著技术优势。

掺杂钕的二氧化硅(掺杂Nd的SiO₂)层产生固态RLG的腔体增益。该掺杂Nd的二氧化硅层沉积在RLG腔体中的高反射多层电介质镜的顶层上。然而，存在的一个重要问题是掺杂钕的二氧化硅层的折射率与(例如，在腔体中的)空气或真空的折射率不匹配。因此，泵浦光(例如，激光二极管、闪光灯、LED)的大部分和激光信号由于反射而丢失。例如，如果泵浦光源是激光器，那么腔体损耗的此种增加不仅会提高激光器阈值，还会增加基本激光器噪声(Schawlow-Townes线宽)。

因此，需要一种技术，该技术可用于减小损失的光激发能量的量，并且从而增强固态RLG的性能。

发明内容

本文公开的实施方案提出了用于增强在RLG装置中用作激光镜的多层干涉镜的耐久性和可制造性的技术。

附图说明

当考虑到优选实施方案的描述和以下附图时，本公开的实施方案可以更容易理解，并且其进一步的优点和用途更加显而易见，在附图中：

图1是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的多层镜的简化结构图。

图2是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的增强型增益镜的简化结构图。

图3是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的增强型环形激光陀螺仪(RLG)的简化结构图。

图4是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的方法的流程图。

根据惯例，所描述的各种特征部未必按比例绘制，而是用于强调与本公开相关的特征部。参考字符在所有图和文本中表示类似的元件。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过可以实践这些实施方案的具体说明性实施方案的方式来示出。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施方案，并且应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以作出逻辑改变、机械改变和电气改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。

图1是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的增强型多层镜100的简化结构图。例如，在一个实施方案中，多层镜100是用于RLG(诸如例如固态增益介质RLG)的多个干涉镜的干涉镜。更准确说，多层镜100是高反射镜叠堆，其包括例如第一(例如，电介质)材料的外层，其产生用于固态RLG的增益介质，以及第二(例如，抗反射)材料的顶部涂层，该第二顶部涂层沉积在该外层材料上以增强光能进入外层的透射率，并且从而增强固态RLG的环形激光器的发射效率。

参考图1中所示的示例性实施方案，多层镜100包括形成在合适的基板110上的多个交替(例如，交错)的高折射率(例如，氧化钛或TiO₂)层102a-102d和低折射率(例如，氧化硅或SiO₂)层104a-104c。例如，在一个实施方案中，TiO₂层102a-102d和SiO₂层104a-104c是光学四分之一波(例如，标称或实质上四分之一波)结构，其利用例如合适的溅射沉积工艺(例如，电子束或离子束沉积工艺)形成。值得注意的是，尽管对于该示例性实施方案示出了有限数量的TiO₂和SiO₂层，但是该特定数量的层仅用于说明目的，并且可以沉积多达几个交替的TiO₂层和SiO₂层以形成多层镜100。例如，还可以利用其他合适的高折射率材料层并与多层反射镜100中的SiO₂层交错，诸如氧化锆(TiO₂)、钽(Ta₂O₅)、铪(HfO₂)或铌(Nb₂O₅)。

增强型多层镜100还包括沉积在TiO₂层102a上的最外层(例如，增益介质)层106。在一个实施方案中，最外层106是掺杂钕的二氧化硅(掺杂Nd的SiO₂)层。例如，掺杂Nd的二氧化硅层106可以是几个半波长(例如，2-5个波长)厚。在任何情况下，对于该示例性实施方案，沉积在多层镜100的顶部上的掺杂Nd的二氧化硅层106产生增益镜，其为所涉及的固态环形激光器提供光学放大。值得注意的是，由于增益介质由固态材料而不是氦-氖气体混合物组成，所以没有利用传统的制造后等离子体擦洗工艺，该工艺通常会损坏氦-氖RLG中的涂层材料(例如，称为蚀刻降解)。

对于该示例性实施方案，多层镜100还包括在增益介质层106的最外表面上的抗反射涂层108。抗反射顶部涂层108可以通过沉积(例如，溅射)具有适当低表面反射率(例如，0.1％至0.2％)的材料层来形成。对于该实施方案，利用氟化镁(MgF₂)层用于抗反射涂层108。在第二实施方案中，可以利用具有例如0.1％或更小的低表面反射率的任何合适的材料来形成抗反射涂层108。例如，在一些实施方案中，可以利用合适的含氟聚合物材料来形成抗反射涂层108。又如，可以利用由介孔二氧化硅纳米粒子组成的合适的材料来形成抗反射涂层108。因此，设置在增益介质层106上的抗反射涂层108功能为增加由掺杂Nd的二氧化硅发射的光子数量(在环形激光腔体内循环)，其可以重新进入增益介质层106并且从而刺激附加光子的发射。因此，上述环形激光器的发射效率、增益和整体性能与现有的环形激光器的那些相比实质上增加(例如，增益增加了几个百分点)。

图2是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的增强型增益镜200的简化结构图。例如，在一个实施方案中，增益镜200是用于RLG(例如固态增益介质RLG)的多个干涉镜的干涉镜。值得注意的是，对于该示例性实施方案，增益镜200在结构和功能上与上面参考图1所示和所述的多层镜100实质上相同。

参见图2，增益镜200包括多个交错的高折射率材料层202a-202d和低折射率材料层204a-204c。增益介质(例如，掺杂Nd的二氧化硅)层206位于最外(例如，高折射率)层202a上，并且抗反射材料(例如，MgF₂)层208位于增益介质层206上。交错层202a-204c形成在(例如，高度抛光的)基板210上。对于该示例性实施方案，交错层202a-204c中的每一个实质上是1/4光学波长厚，并且(例如，掺杂Nd的二氧化硅)增益介质层206是实质上1/2光学波长厚度的整数。泵浦光源(例如，激光二极管、闪光灯、LED)214经由合适的聚焦光学器件组件212将泵浦光216传输到增益介质层206。需注意，对于该示例性实施方案，尽管描绘了泵浦光源214从增益镜200的“背”(例如，基板)侧泵浦光，在第二示例实施方案中，泵浦光源214(例如，和光学器件组件212)可以位于图2的左侧以便从增益镜200的相对或“前”侧泵浦光。值得注意的是，根据本公开的上述教导内容，抗反射涂层208功能为增加由掺杂Nd的二氧化硅发射的光子数量，所述光子可以重新进入增益介质层206(例如，在环形激光腔体内循环并由箭头线CW和CCW示出的光子)，并且从而刺激附加光子的发射。

图3是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的增强型RLG300的简化结构图。对于该示例性实施方案，RLG 300为固态增益介质RLG。参见图3，示例性RLG 300包括三个高度反射的多层电介质反射镜302a、302b、302c。将这些镜安装到抛光的稳定材料块304上，并且定位成限定由反向传播激光束穿过的闭环光学腔体306a-306c。束组合光学系统和检测器308测量反向传播激光束的频率差异，该差异与RLG 300的旋转成比例。掺杂Nd的二氧化硅的薄的非晶层310沉积在镜302a上，从而产生提供光学频率放大的增益镜302a。值得注意的是，根据本公开的上述教导内容，抗反射涂层312(例如，氟化镁)沉积在(例如，增益介质)层310上以增加由掺杂Nd的二氧化硅发射的光子数量(在环形激光腔体306a-306c内循环)，其可以重新进入增益介质层310并且从而刺激掺杂Nd的二氧化硅发射附加光子。泵浦光源(例如，激光二极管)313和光学透镜组件314提供在光学腔体306a-306c中产生激光作用所需的光激发能量316。

图4是示出可用于实现本发明的一个示例性实施方案的方法400的流程图。参考图1所示的示例性实施方案，示例性方法开始于形成多个第一高折射率光学材料(诸如例如TiO₂)层102a-102d，(402)，并且还在层102a-102d之间形成多个第二低折射率光学材料(诸如例如SiO₂)层104a-104c(404)。更准确地说，如图1所示，在基板110上(例如，利用电子束或离子束沉积工艺)沉积第一TiO₂层102d。然后在第一TiO₂层102d的暴露表面上(例如，也利用电子束或离子束沉积工艺)沉积第一SiO₂层104c。接下来，在第一SiO₂层104c的暴露表面上沉积第二TiO₂层102c，并且然后在第二TiO₂层102c的暴露表面上沉积第二SiO₂层104b。接下来，在第二SiO₂层104b的暴露表面上沉积第三TiO₂层102b，并且然后在第三TiO₂层102b的暴露表面上沉积第三SiO₂层104a。然后在第三SiO₂层104a上沉积第四TiO₂层102a。值得注意的是，尽管图1中所示的示例性实施方案描绘了四个TiO₂层102a-102d和三个SiO₂层104a-104c，本公开并不旨在对可以在其他实施方案中利用的层数施加上限或下限。而且，尽管图1中所示的示例性实施方案描绘了针对层102a-102d和104a-104c的TiO₂和SiO₂层，但是本公开并不旨在将高折射率光学材料和低折射率光学材料仅限于可用于其他实施方案的TiO₂和SiO₂层。

返回到方法400，在高折射率光学材料TiO₂的最外层102a的暴露表面上(例如，利用电子束或离子束沉积工艺)沉积合适的光学放大材料(例如，在该实施方案中为掺杂Nd的二氧化硅)层106(406)。层106为环形激光器提供固态增益介质，从而为所涉及的RLG提供固态增益介质。接下来，将抗反射涂层108(例如，氟化镁)沉积在(例如，增益介质)层110上(408)。如上面参考图1所述，根据本公开的上述教导内容，抗反射涂层108增加了由掺杂Nd的二氧化硅层106发射的光子数量(例如，在图3中在环形激光腔体306a-306c内循环)，其可以重新进入增益介质层110，并且从而刺激通过掺杂Nd的二氧化硅层发射附加光子。

应当理解，上述实施方案和说明性附图的元件可以彼此以各种组合使用，以产生明确意图在本公开的范围内的其他实施方案。

示例性实施方案

实施例1包括一种多层镜，包括：多个交替的高折射率光学材料层和低折射率光学材料层；设置在所述多个交替层上的光学材料的放大层；以及设置在所述光学材料放大层的最外表面上的抗反射材料涂层。

实施例2包括根据实施例1所述的多层镜，其中所述高折射率材料包括氧化钛(TiO2)材料层。

实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的多层镜，其中所述低折射率材料包括氧化硅(SiO2)材料层。

实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的多层镜，其中所述光学放大层包含掺杂钕的二氧化硅(掺杂Nd的SiO2)材料层。

实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的多层镜，其中所述抗反射材料包括氟化镁(MgF2)材料涂层。

实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的多层镜，其中所述多个交替层包括多个实质上光学四分之一波长结构。

实施例7包括根据实施例1至6中任一项所述的多层镜，还包括在所述多个交替层下面的基板材料。

实施例8包括根据实施例5至7中任一项所述的多层镜，其中所述MgF2材料涂层实质上薄于所述多个层中每层的厚度。

实施例9包括根据实施例1至8中任一项所述的多层镜，其中所述多层镜包括用于环形激光陀螺仪(RLG)中的激光腔体的反射镜。

实施例10包括根据实施例5至9中任一项所述的多层镜，其中所述MgF2材料涂层被配置为达到0.1％或更低的反射率值。

实施例11包括一种环形激光陀螺仪，包括：激光块组件；所述激光块组件中的腔体；以及所述腔体中的多个多层镜，其中所述多个多层镜中的至少一个多层镜包括：多个交替的高折射率光学材料层和低折射率光学材料层；设置在所述多个交替层上的光学材料的放大层；以及设置在所述光学材料放大层的最外表面上的抗反射材料涂层。

实施例12包括根据实施例11所述的环形激光陀螺仪，其中所述光学放大层包括掺杂Nd的SiO2材料层。

实施例13包括根据实施例11至12中任一项所述的环形激光陀螺仪，其中所述抗反射材料涂层包括MgF2材料涂层。

实施例14包括根据实施例11至13中任一项所述的环形激光陀螺仪，其中所述多个多层镜包括三个或更多个多层反射镜。

实施例15包括根据实施例11至14中任一项所述的环形激光陀螺仪，其中所述高折射率光学材料包括氧化钛，并且所述低折射率光学材料包括氧化硅。

实施例16包括一种方法，包括：在基板上形成多个第一折射率光学材料层；在所述第一折射率光学材料层之间形成多个第二折射率光学材料层；在所述多个所述第一折射率光学材料层的最外层上形成光学放大材料层；以及在所述光学放大材料层的表面上形成抗反射材料涂层。

实施例17包括根据实施例16所述的方法，其中形成多个第一折射率光学材料层包括形成氧化钛层。

实施例18包括根据实施例16至17中任一项所述的方法，其中形成多个第二折射率光学材料层包括形成氧化硅层。

实施例19包括根据实施例16至18中任一项所述的方法，其中形成光学放大材料层包括形成掺杂Nd的二氧化硅层。

实施例20包括根据实施例16至19中任一项所述的方法，其中形成涂层包括形成氟化镁涂层。

尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本申请旨在覆盖所提出的实施方案的任何修改或变型。因此，显而易见的是，实施方案仅受权利要求及其等同物所限制。