一种激光陀螺教学演示系统的制作方法

1.本实用新型涉及激光陀螺技术领域，更具体地，涉及一种激光陀螺教学演示系统。


背景技术：

2.激光陀螺是用于测量运动体角速率的传感器，是现代惯性导航技术中常用的传感器种类之一。激光陀螺基本领域涉及的激光模式调节和sagnac效应演示是激光陀螺技术应用中重要的基本概念，在诸多陀螺仪的生产和应用中，都需要先学习激光模式和sagnac效应，所涉及的理论性很强，而大学课程中理论课讲到的结论一般是通过复杂的数学推导得到的，过程很抽象，学生学起来晦涩难懂又枯燥无味。为了加强学生的理解与运用，借助实验环节是行之有效的方法。教学演示实验以更直观的方式向大学生普及激光模式调节和sagnac效应等知识，使学生在严格的实验条件下，通过对激光陀螺内部的各组成器件进行调节分析，更能深刻地理解激光模式和sagnac效应的概念，以便更好地进行模式分析和谐振腔谐调，深入掌握激光陀螺相关知识。
3.然而，目前高校本科教学中涉及激光模式调节和sagnac效应多以原理讲解和公式推导为主，相应的演示实验很少。一方面是因为激光陀螺演示系统成套设备(氦氖激光管、激光反射镜、单模校准器、光电探测器、频率计数器、示波器、等)较多，造价高；另一方面主要是实验对操作者的操作要求高，要得到理想的实验结果，过程控制较难，不适于开设时间有限的实验课。


技术实现要素：

4.针对现有技术的问题，本实用新型提出一种激光陀螺教学演示系统，包括：旋转控制模块，所述旋转控制模块用于控制激光陀螺的旋转；激光模块，所述激光模能够发射激光；调腔模块，所述调腔模块与所述激光模块相配合来准直激光陀螺；信息采集模块，所述信息采集模块用于采激光模块的图像与光电信息；控制与显示装置，所述过控制与显示装置用于显示信息采集模块采集到的信息以及向所述旋转控制模块输出控制参数。
5.优选地，所述激光模块包括带布儒斯特窗口的氦氖激光管和准直激光器，所述调腔模块还包括反射镜组件和光阑。
6.优选地，述旋转控制模块包括旋转平台、底座和精密光学平板，底座上放置旋转平台，旋转平台上放置精密光学平板，所述氦氖激光管、准直激光器、反射镜组件、光阑和激光陀螺放置在精密光学平板上，其中反射镜组件、准直激光器和光阑能够被调节为使得准直光束穿过氦氖激光管的增益中心。
7.优选地，反射镜组件包括第一反射镜和第二反射镜，第二反射镜右侧依次放置带布儒斯特窗口的氦氖激光管、第一反射镜、光阑和准直激光器。
8.优选地，第一反射镜和第二反射镜为一平面镜一凹面镜，或均为平面镜，或均为凹面镜。
9.优选地，反射镜组件包括环第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜，
四个反射镜组成四方形的环形谐振腔，第一反射镜和第二反射镜之间放置氦氖激光管，第一反射镜右侧依次放置光阑和准直激光器，通过激光模块、调腔模块实现环形谐振腔的谐调与准直。
10.优选地，所述的激光陀螺教学演示系统还包括：信息采集模块，所述信息采集模块包括光电探测器和合光系统，所述合光系统设置于光电探测器前面，用于产生不同频率的干涉光。
11.优选地，所述合光系统用于调整合光系统的合光棱镜在所述反射镜组件的位置，将激光模块发射的激光产生干涉光，使信息采集模块的图像采集和数据采集更高效精确。其中，所述干涉光信号被所述信息采集模块采集并在所述控制与现实装置显示。
12.本实用新型的系统的优点包括：
13.(1)演示装置高度集成，可以用于演示直腔模式腔长与纵模间隔关系、谐振腔的谐调与准直过程、环形腔模式腔长与纵模间隔关系和sagnac效应等，同时可以探究转速与频率的关系、放电电流与锁区的关系、腔长与纵模间隔关系等，一套演示系统具备多种功能，特别适用于学校相关知识教学演示，有效弥补国内高校在此方面的空缺，为该内容的教学打下基础；
14.(2)机械结构简单直观，便于学生掌握装置结构特点；
15.(3)旋转平台自动控制，实现精密旋转驱动；
16.(4)实验过程中实时显示数据，自动绘图，实验结果可定量分析；
17.(5)实时控制平台、采集数据和显示结果，操作简单，能有效简化教学过程；
18.(6)实验现象明显，便于学生理解与运用；
19.(7)装置体积小，方便实验室管理与放置。
附图说明
20.为了更容易理解本实用新型，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本实用新型。这些附图只描绘了本实用新型的典型实施方式，不应认为对本实用新型保护范围的限制。
21.图1显示了本实用新型的系统的一个示例的结构原理图。
22.图2显示了本实用新型的系统的一个实施例的示意图。
23.图3显示了探究直腔模式腔长与纵模间隔关系图。
24.图4显示了探究环形腔模式腔长与纵模间隔关系图。
25.图5显示了演示sagnac效应的图。
26.图6显示了本实用新型系统的控制与显示装置的数据分析的图。
27.图7显示了本实用新型系统的控制与显示装置的的调试界面的图。
28.附图标记
29.1-反射镜组件；1-1第一反射镜；1-2第二反射镜；1-3第三反射镜；1-4第四反射镜；2-带布儒斯特窗的氦氖激光管；3-准直激光器；4-光阑；5-合光系统； 6-信息采集模块；7-控制与显示装置；8-旋转台；9-底座；10-精密光学平板。
具体实施方式
30.下面参照附图描述本实用新型的实施方式，以便于本领域的技术人员可以更好的理解本实用新型并能予以实施，但所列举的实施例不作为本实用新型的限定，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，其中相同的部件用相同的附图标记表示。
31.如图1所示，本实用新型提出一种激光陀螺教学演示系统，所述系统包括旋转控制模块，激光模块，调腔模块，合光系统，信息采集模块，控制与显示装置。
32.图2显示了本实用新型的系统的一个实施例的示意图。
33.所述控制与显示装置7中安装有测试程序，通过程序自动控制与计算，可以实时接收其他模块返回的数据，从而实时地显示系统的放电电流、电压、频率、转速、光波等信息。同时，其也可以输出控制信号给其他模块，从而控制放电电流、转速大小等。通过控制与显示装置，可以清晰显示实验结果，定量演示实验过程，具有高集成度、多功能的特点。
34.另外，本实用新型的系统还包括：旋转控制模块。所述旋转控制模块包括旋转台8和固定在旋转台8上的底座9，用于激光陀螺的驱动。旋转控制模块通过步进电机来驱动旋转台8完成精密旋转。步进电机的驱动通过控制与显示装置7 控制，实现实时的精密控制。使用时启动步进电机，在计算机软件中输入旋转平台的转速(或每转步数)，旋转平台即以该转速旋转。旋转平台的转速可以微小到没有感觉，可以从小到大以一定梯度均匀增加，也从大到小以一定梯度均匀减小。所述旋转控制模块还包括精密光学平板10，其表面达到精密光学平整度，设置有阵列排布的小孔，小孔内设置有螺纹，用于反射镜组件1、激光管2、激光器3和光阑4等的安装。
35.在图2所示的实施例中，带布儒斯特窗口的氦氖激光管2和准直激光器3构成了激光模块，氦氖激光管2用于产生线偏振发射激光，准直激光器3用于调腔时激光准直。
36.在图2所示的实施例中，反射镜组件1和光阑4构成了调腔模块，还设置了用于上述设备安装与调节的调节支架，调节支架能够非常精确地调节两个倾斜方向(θ、俯仰角)和高度。
37.在图2所示的实施例中，所述信息采集模块用于协助计算机采集实验所需的光电、频率等信息。信息采集模块前设置有合光系统和光电探测器，在图2所示的实施例中，将合光系统设置于光电探测器前面，用于产生干涉光，使信息采集模块能采集到不同频率的干涉光。
38.在图2所示的实施例中，用一套透镜清洁专用纸、透镜组织夹和反射镜清洗液，作为所述光学装置清洗模块，用于清洗光学组件。
39.如图3所示，旋转平台8、底座9、精密光学平板10构成旋转控制模块：旋转平台8安装于底座9上，旋转平台在底座上平稳旋转；旋转平台上安装有精密光学平板10，旋转平台8旋转时带动精密光学平板10一起旋转，精密光学平板 10上安装有分布均匀的精密小孔。
40.第一反射镜1-1、第二反射镜1-2、第三反射镜1-3、第四反射镜1-4(见图2)、带布儒斯特窗的氦氖激光管2、准直激光器3和光阑4安装于精密光学平板10 上。第一反射镜1-1、第二反射镜1-2、第三反射镜1-3、第四反射镜1-4和光阑 4及其调节支架构成调腔模块，带布儒斯特窗的氦氖激光管2、准直激光器3构成激光模块。
41.第一反射镜1-1、第二反射镜1-2、第三反射镜1-3、第四反射镜1-4、带布儒斯特窗
的氦氖激光管2、准直激光器3和光阑4通过调节支架安装，调节支架通过调整(θ,)和高度调节上述装置位置和角度。
42.信息采集模块前安装合光系统，用于调整合光系统的合光棱镜在所述激光陀螺平面镜的位置，将激光模块发射的激光产生干涉光，使信息采集模块的图像采集和数据采集更高效精确。其中，所述干涉光信号被所述信息采集模块采集并在所述控制与现实装置显示。采集到的光电、频率等信息传输进入控制与显示装置。信息采集模块包括频率计数模块和频谱分析模块。频率计数模块包括频率计数器和前置放大器，对输出信号进行正交解码计数，并结合高速采样滤波算法得到陀螺输出的角速度等信息。频谱分析模块包括示波器，用于频谱分析。
43.控制与显示装置安装有测试程序，可以接收信息采集模块的信息，控制旋转控制模块。测试程序具备数据分析功能，可以对采集到的数据自动绘图与数据分析。可定时控制实验启动和停止工作，整个测试过程自动保存测试数据，无需人为干预。
44.本实用新型的系统可以通过rs232协议和usb协议接收计算机指令、分发计算机指令，从而系统地进行相应的操作。同时本实用新型的系统能监测并采集陀螺测试过程中的各关键信号，将采集的数据信息上传至计算机显示、存储。其中rs232协议用于指令控制，usb协议用于高速数据传输。
45.下面通过几个实例来进一步描述本实用新型的系统。
46.实施例1
47.本实用新型的系统能够探究直腔模式腔长与纵模间隔关系。本实验用到激光模块、调腔模块和控制与显示装置。
48.具体步骤如下：
49.如图4所示，用调节支架将准直激光器3、氦氖激光管2、光阑4和第一反射镜1-1和第二反射镜1-2安装在底座9(见图3)上，底座上打有精确的矩阵安装小孔，其中最左侧放置第一反射镜1-1，接着在右侧安装带布儒斯特窗的氦氖激光管2。第一反射镜1-1和第二反射镜1-2为全反射镜，优选地，第一反射镜1-1为凹面镜，第二反射镜1-2为平面镜。
50.(1)打开准直激光器3，发光。将光阑4放在氦氖激光管2右边，仔细微调反射镜的二维微调螺丝。由于第一反射镜为凹面镜，总有一束光经过凹面镜的中心被反射回来，使得光线经过光阑4和氦氖激光管2、第一反射镜1-1反射回的光斑在光阑的中心，这时第一反射镜1-1、氦氖激光管2和光阑4垂直于准直光束，且中心处于同一直线。
51.(2)固定准直激光器3、光阑4、氦氖激光管2和第一反射镜1-1。将第二反射镜1-2安装于光阑和氦氖激光管2之间，调节第二反射镜1-2的角度和其与第一反射镜1-1的距离，使光线在氦氖激光管2中振荡，并产生激光。此时在氦氖激光管2固定安装第二反射镜1-2。
52.(3)观察到氦氖激光管发出红色氦氖激光光束，说明激光在氦氖激光管中振荡，完成直腔模式谐振腔的谐调与准直步骤。
53.(4)微调第一反射镜1-1的二维调节螺丝，或移动一个反射镜的位置，改变腔长变化，在计算机软件输出显示图中观察腔长变化引起的纵模间隔变化。
54.结果如图5所示。可看出，相邻纵模频率间隔和腔长成反比，腔越长，纵模间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多。
55.控制与显示装置可以直接储存数据、绘图、分析数据。
56.实施例2
57.本实用新型的系统还能够用于演示环形谐振腔的谐调与准直过程，本系统需要用到激光模块、调腔模块。
58.如图2所示：
59.(1)设定准直基准激光线
60.在调整平台固定好准直激光器3，打开，发出激光束，调整指示激光器3的俯仰角，使准直激光束与精密光学平板10平行，处于水平状态，此准直激光作为准直基准激光线。
61.(2)调整带布儒斯特窗的氦氖激光管2呈水平状态
62.(3)如实施例1所示，使带布儒斯特窗的氦氖激光管2出光
63.此时可以认定，带布儒斯特窗的氦氖激光管2、光阑4的中心和准直激器3 光线在一条直线上，激光在两片反射镜之间振荡。称之为“直腔”。
64.保持带布儒斯特窗的he-ne激光管2、光阑4和指示激光器3的状态不变，拆下第一反射镜1-1和第二反射镜1-2。调整第一反射镜1-1的俯仰角，使光线经第一反射镜1-1的入射角与第一反射镜1-1成45
°
(粗调)。
65.新增反射镜首片，用于反射激光。调整反射镜首片的相对位置，使反射镜首片、第一反射镜1-1和第二反射镜1-2成直角，并且使反射镜首片与水平面垂直。光线经第一反射镜1-1反射后到达反射镜首片，再反射回去，经过光阑的中心。
66.固定第二反射镜1-2，激光在反射镜首片和第二反射镜1-2之间呈现l型，称之为“l”腔。首片和第二反射镜1-2闭合光路中，带布儒斯特窗的he-ne激光管2出光。为了使带布儒斯特窗的he-ne增益管2的出光光功率最大，此时可以精调反射镜1-1的俯仰角，使出光光强最大。固定反射镜1-1的位置并保持反射镜1-1的状态不变，通过以上步骤获得反射镜1-1的最佳状态。
67.同步骤(3)的方法依次固定第三1-3、第四反射镜1-4，使激光在四个反射镜中形成环形腔。带布儒斯特窗的he-ne激光管2出光，完成环形谐振腔的谐调与准直过程。
68.实施例3
69.本实用新型的系统还能用于演示探究环形腔模式腔长与纵模间隔关系。
70.如图2所示，本系统用到激光模块，调腔模块，合光系统5，信息采集模块 6和控制与显示装置7。
71.按照实施例2调节好各设备。连接合光系统5，谐振光产生干涉光，通过信息采集模块采集到系统的干涉光信号。
72.如图6和图7所示，控制与显示装置7中的软件可以直接储存数据、绘图、分析数据。
73.改变环形腔模式腔长，观察计算机软件页面纵模间隔的变化，探究环形腔模式腔长变化与纵模间隔的关系。
74.合光系统将谐振光产生干涉光，通过信息采集模块采集到合光系统的干涉光信号。
75.优选地，如果直腔模式下合光系统收集到的光信号较弱，可以选用干涉仪代替合光系统。
76.实施例4
77.本实用新型的系统还能用于演示sagnac效应。本系统需要用到旋转控制模块，激
光模块，调腔模块，合光系统，信息采集模块和控制与显示装置。
78.按照实施例2调节好各设备。连接合光系统，将谐振光产生干涉光，通过信息采集模块采集到系统的干涉光信号。控制与显示装置7中的软件可以直接储存数据、绘图、分析数据。
79.启动步进电机驱动，控制与显示装置7向旋转平台发送独立的操作指令，保证陀螺仪平稳运行。步进电机控制通过串口数据传输电缆连接到计算机的串口接口。该软件能够使操作者控制旋转转盘进行程序控制的角度运动。
80.①
转速与频率的关系曲线。
81.频率计数器用于测量正反方向两束光的频率差。优选1s的测量间隔。启动转盘并读取频率计数器显示的结果。改变角速度的值，重复测量。所有测量到的频率以角速度的函数形式绘制在图上，结果是一条直线。
82.②
测量锁定阈值。
83.选择从1
°
/s开始的角速度范围，并将这个值分别降低0.1
°
/s。在开始测量之前，最好先清理谐振腔内的光学元件(反射镜)，因为锁定阈值取决于光学元件的背向散射效应。同样，测量频率作为角速度的函数绘制在图中，结果是一条直线，但是，这条直线不会达到零。信号消失时的旋转速度为锁定阈值。
84.③
sagnac效应。
85.选择从10
°
/s开始的角速度范围，并将这个值分别降低0.1
°
/s。测量干涉条纹移动格数作为角速度的函数绘制在图中，所示结果可以形象地演示sagnac效应。
86.④
探测放电电流与锁区大小关系。
87.选择从5ma开始的放电电流，并将这个值分别每次降低0.1ma，直到1ma。同样，测量频率作为放电电流的函数绘制在图中，得出放电电流与锁区大小的关系。
88.本实用新型的系统通过软件控制平台、采集数据和显示结果，实验结果显示清晰，可以定量演示实验过程；机械结构简单直观，便于学生掌握装置结构特点；实验现象明显，操作简单，能有效简化教学过程。可应用于探究直腔模式腔长与纵模间隔关系、谐振腔的谐调与准直过程、环形腔模式腔长与纵模间隔关系和演示sagnac效应，同时可以探究转速与频率的关系、放电电流与锁区的关系、腔长与纵模间隔关系等，一套演示系统具备多种功能，特别适用于学校教学演示。
89.以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式，本说明书使用词组“在一种实施例中”、“在另一个实施例中”、“在又一实施例中”或“在其他实施例中”，其均可指代根据本公开的相同或不同实施例中的一个或多个。本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。