利用新型光纤改进光纤陀螺仪

为了提高谐振式光纤陀螺的性能，研究人员采用了一种新型的空心光纤，即无节点反 共振光纤。这些陀螺仪有一天会成为导航技术的基础，这种技术比现在的系统更紧凑、更精确。

研究人员在提高谐振式光纤陀螺的性能方面迈出了重要的新一步，谐振式光纤陀螺是一种只利用光感知旋转的光纤传感器。因为陀螺仪是大多数导航系统的基础，这项新的工作有一天会给这些系统带来重要的改进。

霍尼韦尔国际研究小组的负责人Glen A. Sanders说：“高性能陀螺仪可用于多种类型的空中、地面、海洋和太空应用中的导航。尽管我们的陀螺仪仍处于开发的早期阶段，但如果它达到了其全部性能，它将有望成为下一代导航和导航技术中的一员，这些技术不仅可以提高精度，而且可以减少体积和重量。”

在光学学会（OSA）期刊《光学快报Optics Letters》上，来自霍尼韦尔大学（Honeywell）和英国南安普顿大学（University of Southampton）光电子学研究中心的研究人员描述了他们如何使用一种新型空心光纤来克服限制先前谐振式光纤陀螺的几个因素。这使得他们能够将最苛刻的陀螺仪稳定性性能要求提高500倍之多，这是之前发表的涉及空心光纤的研究成果的500倍

Sanders说：“我们希望看到这些陀螺仪被用于下一代民用航空、自动驾驶汽车以及其他许多导航系统应用中。事实上，随着我们提高导航和导航系统的性能，我们希望能够开放全新的功能和应用。”

用光感应旋转

谐振式光纤陀螺仪使用两个激光器，它们以相反的方向穿过一个光纤线圈。光纤的两端连接起来形成一个光学谐振器，这样大部分的光就会循环并绕着线圈走多次。当线圈处于静止状态时，在两个方向上行进的光束具有相同的谐振频率，但是当线圈旋转时，谐振频率会以可用于计算安装陀螺仪的车辆或设备的运动方向或者相对移动方向。

霍尼韦尔公司开发谐振式光纤陀螺技术已有一段时间了，因为与电流传感器相比，它可以在更小尺寸的设备中提供高精度导航。然而，如何在这些陀螺仪所需的超精细激光线宽下，找出一种能承受中等激光功率水平的光纤，却不会引起非线性效应而降低传感器性能，一直是一个挑战。

“在2006年，我们开始建议使用空芯光纤作为谐振式光纤陀螺，” Sanders说，“由于这些光纤将光限制在中心空气或充满气体的空隙中，基于它们的传感器不会受到困扰基于固体光纤的传感器的非线性影响。”

使用更好的光纤

在这项由南安普顿大学Austin Taranta领导的新研究中，研究人员想看看一种全新的中空光纤是否能带来更多的改进。这种新型光纤被称为无结反 共振光纤（NANF），它比其他空心光纤表现出更低的非线性效应。

无结反 共振光纤还具有较低的光衰减，这提高了谐振器的质量，因为光在通过光纤的较长传输长度上保持其强度。事实上，这些光纤已经被证明具有比任何其他空芯光纤有更低的光损耗，并且在光谱的许多部分，比任何类型光纤损耗都要小。

对于谐振式光纤陀螺来说，光在光纤中的传输路径必须是单一的。无结反 共振光纤有助于消除由后向散射、偏振耦合和模态杂质引起的光学误差，这些都是陀螺仪中误差或额外噪声的潜在来源。它们的排除消除了其他光纤技术最重要的性能限制因素。

Sanders说：“虽然这种传感器的主干是新型光纤，但我们在以前所未有的精度感知共振频率时也致力于大幅降低噪音。这对于提高传感器性能和朝着小型化方向发展至关重要。”

实现长期稳定

霍尼韦尔的研究人员进行了实验室研究，以表征新型光纤陀螺传感器在稳定旋转条件下的性能，即仅在地球自转的情况下。这就建立了仪器的“偏差稳定性”。为了消除自由空间光学装置中的噪声和干扰，陀螺仪被安装在一个稳定的、静止的桥墩上。通过合并无结反 共振光纤，研究人员能够证明0.05度/小时的长期偏差稳定性，这接近于民用飞机导航所需的水平。

“通过展示纳米纤维在这一极其苛刻的应用中的高性能，我们希望展示这些光纤在其他精密科学谐振腔中的特殊应用前景。” Taranta说，该研究人员目前正致力于制造一种结构更紧凑、更稳定的陀螺仪原型。他们还计划采用最新一代纳米晶闸管，这种纳米晶闸管的光损耗提高了四倍，同时极大地提高了模式和偏振纯度。

原文链接：https://phys.org/news/2020-12-optical-fiber-significant-light-based-gyroscopes.html