一种激光陀螺的稳频机构的制作方法

1.本发明属于激光陀螺技术领域，涉及一种激光陀螺的稳频机构。


背景技术：

2.在激光陀螺工作时，激光陀螺内部的激光器腔长是工作模式所对应波长的整数倍，工作模式所在的频率必须稳定在增益曲线的最大处，这样才能确保陀螺精度的高度稳定。通常采用小抖动稳频来判断增益曲线峰值位置，控制压电陶瓷改变腔长，确保工作模式频率在增益曲线的最大处。
3.激光陀螺主要部件为零膨胀微晶玻璃制成的谐振腔，整块微晶玻璃内部加工有高精度的细长孔。通常零级微晶玻璃材料的线膨胀系数在-2х10-8
～2х10-8
之间，光路长度在60～500mm之间。通常激光陀螺工作在-50～90℃温度范围内，低温下膨胀系数会显著增大，对尺寸较大的激光陀螺，-50～90℃温度范围内光路长度的变化可能达到几个微米。这时通过图1所示的反射镜上的压电机构调节激光器腔长，可以使工作模式频率稳定在增益曲线的最大处。
4.现有的稳频机构主要有五部分组成。如图1所示。压电陶瓷片2材质为伸缩系数大的pzt-5，表面镀有导电的银膜，通过环氧胶或焊接剂粘贴在稳频调整卡盘3上下表面，稳频调整卡盘3是一种金属材质，通常采用膨胀系数很低的铁镍合金，比如超铟瓦合金。
5.卡盘的引脚通过环氧胶粘接在碗式反射镜5上，碗式反射镜5通常是弹性结构，材质一般为膨胀系数很低的微晶玻璃（zerodur）或者石英玻璃。
6.外片陶瓷上表面焊接引线，通常连接电压va，内片陶瓷下表面焊接引线，通常连接电压-vb，金属卡盘连接-vb～va的变化量。va vb通常是200～300v。
7.这种压电机构通常只能提供1.0～1.9um的变化量，要提高变化量只能采取如下措施：（1） 选择形变效率更高的压电陶瓷（2） 增大压电陶瓷上的电压（3） 减小弹性反射镜的筋厚度选择效率更高的压电陶瓷，改善非常有限；增大压电陶瓷上的电压容易导致压电陶瓷击穿，同时也增加了电路的负荷，降低了激光陀螺的可靠性；减小碗式反射镜5的筋厚度似的反射镜加工难度增大，同时也导致反射镜更容易出现歪斜，不利于激光陀螺精度的提高。
8.然而当微晶玻璃材料的膨胀系数过大、或者工作时安装基座的应力导致光路长度的变化超过压电稳频机构的调节量时，陀螺会产生跳模情况，输出误差增大。因此提高压电稳频机构的调节量是避免跳模的重要方法。


技术实现要素：

9.为解决上述技术问题，本发明的第一方面提出了一种激光陀螺的稳频机构，所述
稳频机构包括：碗式卡盘、压电陶瓷片和碗式反射镜；使用所述碗式反射镜做所述激光陀螺的光腔反射镜；所述碗式卡盘一个面与所述碗式反射镜固定连接，所述碗式卡盘另一个面固定连接在压电陶瓷片的一个表面上，通过施加在压电陶瓷片上的电压控制所述压电陶瓷的伸缩，所述压电陶瓷片的伸缩驱动所述碗式卡盘产生弯曲形变的同时使得所述碗式反射镜也产生弯曲形变，通过所述碗式反射镜的弯曲形变改变激光陀螺的谐振腔的腔长，使得所述激光陀螺工作的模式频率稳定在频率增益曲线的峰值位置。
10.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述碗式反射镜的中央是圆形反射膜区，在所述反射膜区所在的平面上围绕反射膜区设置一个环状沟槽，所述环状沟槽外的边缘区是气密面，所述碗式反射镜的所述气密面与激光陀螺谐振腔的端面粘接并构成激光陀螺谐振腔的密封。
11.如本发明的第一方面提出的稳频机构，在所述碗式反射镜的所述反射膜区的相反平面，也设置一个圆形中央区和围绕所述圆形中央区的环状沟槽，所述环状沟槽外的边缘区和所述圆形中央区作为粘接所述碗式卡盘的固定面，所述固定面采用粘接或焊接方式与所述压电陶瓷片固定连接。
12.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述碗式卡盘为圆片形状，所述碗式卡盘的第一圆形面是平面，所述平面用于与所述碗式反射镜的背面固定连接；所述碗式卡盘的第二圆形面中间是一个下凹的碗形曲面，周边厚而中间薄，所述碗式卡盘的第二圆形面的周边有一个是环形平面的粘接面，所述环形平面的粘接面与所述压电陶瓷片通过粘接或焊接固定连接。
13.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片材质为pzt-5，所述压电陶瓷片的上表面和下表面均镀有导电的银膜作为电极，并引出电极引线；所述压电陶瓷片上施加的形变电压为：0～300v。
14.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片采用两片或两片以上叠加构成。
15.如本发明的第一方面提出的稳频机构，在所述压电陶瓷片下平面上粘接或焊接一个第一碗式卡盘，在所述压电陶瓷片上平面上粘接或焊接一个第二碗式卡盘；其中，第一碗式卡盘的平面与所述碗式反射镜的背面固定连接；第一碗式卡盘的碗形曲面侧的所述粘接面与所述压电陶瓷片的下平面固定连接；第二碗式卡盘的碗形曲面侧的粘接面与所述压电陶瓷片的上平面固定连接。
16.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片和所述碗式卡盘之间采用和环氧胶粘接，所述压电陶瓷片与所述碗式卡盘为圆形，所述压电陶瓷片的静态直径与所述碗式卡盘直径相同。如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述碗式卡盘的材料为铁镍合金。
17.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述碗式卡盘的材料为超铟瓦合金。
18.采用本发明的方案。
19.（1）本发明的碗式卡盘构型可以大大提高稳频机构的形变量。
20.（2）本发明的碗式卡盘结构简单可靠；（3）本发明的碗式卡盘结构加工和装配成本低。
21.（4）本发明可以降低光路在高低温下的歪扭，使得陀螺性能更加稳定。
附图说明
22.图1是现有技术的稳频机构结构示意图；图2是本发明的圆盘式压电陶瓷片的形状图，其中a为正视图，b为侧视图；图3是本发明的圆盘式压电陶瓷纵向形变示意图；图4是本发明的圆盘式压电陶瓷横向形变示意图；图5是本发明使用的碗式卡盘形状图，其中a为正面视图，b为剖面图；图6是本发明使用的碗式反射镜形状图，其中a为剖面图，b为底视图；图7是本发明的带有稳频机构的碗式反射镜一个实施例的剖面图；图8是本发明的带有稳频机构的碗式反射镜另一个实施例的剖面图。
23.其中，1.卡盘调节螺钉，2.压电陶瓷片，3.稳频调整卡盘，4.卡盘与镜片粘接处，5.碗式反射镜，6.压电陶瓷片变形前形状，7.压电陶瓷片变形后形状，8.碗式反射镜的气密面区，9.碗式反射镜的环形沟槽区，10.碗式反射镜中央的镜面反射膜区，11. 碗式反射镜背面的环形沟槽区，12. 第二碗式卡盘，13.压电陶瓷片，14. 第一碗式卡盘。v .压电陶瓷片正电压引线，gnd.压电陶瓷片负电极引线。
具体实施方式
24.本发明提出一种高效的压电式稳频机构，可成倍提高稳频机构调节量。
25.本发明的解决技术问题是：克服现有稳频结构下反射镜的调节量偏小的缺点，提供一种结构简单、调节量大的稳频机构。
26.激光陀螺工作时，光波长必须是腔长的整数倍，以确保稳定的激光振荡频率。满足此条件的一系列离散频率称之为纵模。激光陀螺工作时要求主纵模在激光增益曲线的中心点，这时激光功率最大，同时可以避开模竞争，减小各项误差。
27.激光陀螺通常工作在-50~85℃的温度环境下，随着温度的变化，激光陀螺光腔的长度会发生微米量级的变化，这就导致纵模频率发生漂移。可以通过在一片或者多片弹性反射镜的背面粘接压电陶瓷精密调节卡盘，利用施加在压电陶瓷片上的驱动电压，调节压电陶瓷片形变进而调节弹性反射镜的形变来保持激光陀螺光腔的长度恒定，以使得所述激光陀螺工作的纵模模式频率稳定不变，激光陀螺的激光功率稳定在频率增益曲线的峰值位置。
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
29.如图7所示，本发明的第一方面提出了一种激光陀螺的稳频机构，所述稳频机构包括：一个第一碗式卡盘14、一片压电陶瓷片13和一个碗式反射镜5；使用所述碗式反射镜5做所述激光陀螺的光腔反射镜；所述第一碗式卡盘14一个面与所述碗式反射镜5固定连接；所述第一碗式卡盘14另一个面固定连接在所述压电陶瓷片13上，通过施加在压电陶瓷片上的电压v 控制所述压电陶瓷片13的伸缩，所述压电陶瓷片13的伸缩驱动所述第一碗式卡盘14产生弯曲形变的同时使得所述碗式反射镜5也产生弯曲形变，通过所述碗式反射镜5的弯曲形变改变激光陀螺的谐振腔的腔长，使得所述激光陀螺工作的模式频率稳定在频率增益曲线的峰值位置。
30.需要说明的是，为了实现本发明的目的，可以仅设置一个第一碗式卡盘14，或者多个碗式卡盘，具体根据需要而定，附图8中实施例设置了2个碗式卡盘，即第一碗式卡盘14和第二碗式卡盘12。
31.所述碗式反射镜5的具体结构如附图6所示。
32.通过在一片碗式反射镜5的背面粘接第一碗式卡盘14，利用施加在压电陶瓷片上的驱动电压，调节压电陶瓷片形变进而调节碗式反射镜5的形变来保持激光陀螺光腔的长度恒定，以使得所述激光陀螺工作的纵模模式频率稳定不变，激光陀螺的激光功率稳定在频率增益曲线的峰值位置。
33.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述碗式反射镜5的中央是圆形碗式反射镜中央的镜面反射膜区10，在所述反射膜区所在的平面上围绕反射膜区设置一个碗式反射镜的环形沟槽区9，所述碗式反射镜的环形沟槽区9外的边缘区是碗式反射镜的气密面区8，所述碗式反射镜5的所述碗式反射镜的气密面区8与激光陀螺谐振腔的端面粘接并构成激光陀螺谐振腔的密封。
34.如本发明的第一方面提出的稳频机构，在所述碗式反射镜5的所述反射膜区的相反平面，也设置一个圆形中央区和围绕所述圆形中央区的碗式反射镜背面的环形沟槽区11，所述碗式反射镜背面的环形沟槽区11外的边缘区和所述圆形中央区作为粘接所述碗式卡盘的固定面，所述固定面采用粘接或焊接方式与所述压电陶瓷片13固定连接。
35.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14为圆片形状，如附图5所示，所述第一碗式卡盘14的第一圆形面是平面，所述平面用于与所述碗式反射镜5的背面固定连接；所述第一碗式卡盘14的第二圆形面中间是一个下凹的碗形曲面，周边厚而中间薄，所述第一碗式卡盘14的第二圆形面的周边有一个环形平面的粘接面，所述环形平面的粘接面与所述压电陶瓷片13通过粘接或焊接方式固定连接。
36.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片13材质为pzt-5，压电陶瓷片13形状如附图2所示，所述压电陶瓷片13的上表面和下表面均镀有导电的银膜作为电极，并引出电极引线；所述压电陶瓷片13上施加的形变电压为：0～300v。
37.如附图3和图4所示，所述压电陶瓷片13上施加的形变电压时，可以产生纵向（厚度方向）的变化和横向（直径方向）的变化，所述压电陶瓷片13形变时，其纵向（厚度方向）的变化和横向（直径方向）的变化是叠加的，这种结构放大了型变量，通常可以提高至少3倍以上的型变量，碗式反射镜5通过压电陶瓷片13的控制，其形变量很容易达到3微米以上。通常碗式反射镜5与压电陶瓷片13不是直接连接，而是在碗式反射镜5与压电陶瓷片13之间设置一个第一碗式卡盘14，碗式反射镜5的背面粘接或焊接一个第一碗式卡盘14，第一碗式卡盘14的碗形曲面侧的粘接面与所述圆形压电陶瓷片13的下平面粘接，当所述压电陶瓷片13在电压作用下发生伸长或缩短的形变时，带动第一碗式卡盘14向下或者向上弯曲，进而带动碗式反射镜5产生向下或者向上的弯曲形变，改变激光器的腔长。
38.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片13采用两片或两片以上叠加构成。
39.实际上不但压电陶瓷片13可以采用两片或两片以上直接叠加组构，还可以采用压电陶瓷片和碗式卡盘交替叠加粘接组成有n片压电陶瓷片13和n 1个碗式卡盘交替叠加的结构，以提供更大的形变量，这里n≥1。
40.图8给出了一种两个第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14夹持一个压电陶瓷片13的典型构造。在图7给出的结构中，两个超铟瓦合金材料的第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14同时还充当压电陶瓷片13两侧电极的引线端子。
41.如本发明的第一方面提出的稳频机构，在所述压电陶瓷片13下平面上粘接或焊接一个第一碗式卡盘14，在所述压电陶瓷片上平面上粘接或焊接一个第二碗式卡盘12；其中，第一第一碗式卡盘14的平面与所述碗式反射镜5的背面固定连接；第一碗式卡盘14的碗形曲面侧的所述粘接面与所述压电陶瓷片13的下平面固定连接；第二碗式卡盘12的碗形曲面侧的粘接面与所述压电陶瓷片13的上平面固定连接。
42.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述压电陶瓷片13和所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14之间采用和环氧胶粘接，所述压电陶瓷片13与所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14均为圆形，所述压电陶瓷片13的静态直径与所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14直径相同。如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14的材料为铁镍合金。
43.如本发明的第一方面提出的稳频机构，所述第二碗式卡盘12、第一碗式卡盘14的材料为超铟瓦合金。
44.最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。