激光陀螺，又稱環形激光陀螺儀，是一種用于測量載體角運動狀態的慣性傳感裝置。該裝置主要利用光程差的原理——Sagnac 效應來測量角速度，從而相較于機械式陀螺擁有高精度、啟動快速等特點，并主要被應用于慣性導航和地球參數測量等領域。
激光陀螺起源于1960年，美國物理學家西奧多·梅曼（Theodore Maiman）研制出世界首臺激光器——紅寶石激光器，為激光陀螺儀的發展奠定了基礎。緊接著，1963年，環形激光陀螺誕生，開啟了新的研究方向。到了1975年和1976年，激光陀螺儀開始被應用于飛機和戰術導彈上，標志著其正式進入實用階段，且廣泛應用于各種導航和穩定系統。20世紀末至21世紀初，隨著半導體激光技術的進步，集成光學陀螺和片上陀螺研究取得顯著進展。2017年，出現了具有高測量精度的全芯片結構激光陀螺儀，以及基于受激Brillouin散射的有源主動式激光陀螺，并再度提高了角速度測量精度。近年來，激光陀螺技術的研究主要集中在如何實現光源與轉動敏感元件的集成化，目的是開辟新的應用領域和提升性能。
激光陀螺主要有二頻機抖激光陀螺、空間三軸激光陀螺和四頻差動激光陀螺等類型。其基本構造包括光路結構和頻率檢測系統。激光陀螺主要利用光程差的原理——Sagnac 效應來測量角速度，具體為：兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行，當光源與圓周均發生旋轉時，兩束光的行進路程不同，產生了相位差，通過測量該相位差可以測出激光陀螺儀的角速度。激光陀螺的發展主要受制造成本和體積等因素制約，并主要將朝著高度集成、微型化，以及與其他導航系統兼容的方向發展。
簡史
起源
1960年，美國物理學家西奧多·梅曼（Theodore Maiman）研制出了世界上第一臺激光器——紅寶石激光器，這一創新不僅開啟了激光技術的新紀元，也為陀螺儀的發展奠定了基礎。緊接著在1961至1962年間，希爾（C.V. Heer）和羅森塔爾（A.H. Rosenthal）等人提出了環形激光陀螺的設想，并于1963年制造出世界上第一臺環形激光陀螺實驗裝置。這一設想及其實現，為后續激光陀螺儀的發展指明了方向。
實際應用
美國霍尼韋爾（Honeywell）公司在環形激光陀螺儀的研制上投入了巨大努力，并最終于1975年和1976年分別實現了激光陀螺在飛機和戰術導彈上的試飛成功，這標志著激光陀螺儀正式進入了實用階段。自20世紀80年代以來，激光陀螺儀成功應用于飛機、地面車輛導航、艦炮穩定等多個領域，極大地提高了這些系統的精度和可靠性。1989年，船用激光陀螺慣性導航系統的研制成功進一步擴大了激光陀螺儀的應用范圍，為海上導航提供了更加精確和可靠的技術支持。
集成光學陀螺和片上陀螺
在20世紀末開始了集成光學陀螺的研究。1983年，美國Northrop Grumman公司率先提出了利用無源環形諧振腔構建微型光學陀螺的方案。隨后，1996年，清華大學設計出一款以無源環形光波導為核心敏感元件的諧振型集成激光陀螺。
進入21世紀，隨著半導體激光技術的成熟，實用化的激光陀螺芯片開始出現。2017年，OEwaves公司報道了一種全芯片結構的無源諧振式光學陀螺儀，該陀螺儀具有簡單的結構，并采用高品質的微環諧振腔和穩頻技術，提高了檢測精度。然而，這款芯片陀螺儀在測量精度和穩定性方面仍面臨挑戰。
2017年加州理工學院的Vahala課題組研制出一款基于受激Brillouin散射激光的有源主動式激光陀螺，具有高測量靈敏度和大直徑的微環諧振腔。2020年，該課題組進一步優化了片上光學陀螺的性能，實現了更低的隨機游走噪聲和更高的角速度測量精度。
近年來，國內外研究團隊已開始探索周期性微納結構構建環形激光器，以實現光源與轉動敏感元件的集成化。2018年和2020年，國際科研團隊在頂級期刊上發表了關于拓撲環形激光器和工作在太赫茲波段的三角形激光器的理論和實驗研究，這些激光器展示了出色的單模特性和雙向輸出功率均衡性。
基本原理
激光陀螺儀在工作時會基于“Sagnac效應”，即：在閉合的環形光學腔中，順時針和逆時針傳播的兩束光波之間會產生一個相位差（Δφ），這個相位差與系統的轉動角速度（Ω）之間存在線性關系。Sagnac效應是激光陀螺儀進行角運動傳感的核心理論基礎。激光陀螺具體的工作原理為：兩束光波沿著同一個圓周路徑反向而行，當光源與圓周均發生旋轉時，兩束光的行進路程不同，產生了相位差，通過測量該相位差可以測出激光陀螺儀的角速度，從而完成機械式陀螺同樣的任務。
Sagnac效應的理論分析需區別考慮有源和無源兩種情況。在更高的檢測精度要求下，還需引入廣義相對論來對腔內的電動力學過程進行進一步的修正。對于有源主動式激光陀螺，其諧振腔內部含有增益介質，使得探測光是由內部產生。這意味著，順時針和逆時針產生的兩個激光模式必須滿足諧振腔的諧振條件以產生激光。
在無源系統中，由于相位差與角速度變化之間的標度因數（scale factor）公式的分母包含光速c，這導致其靈敏度顯著低于有源系統。然而，通過采用光纖諧振腔，可以有效提升無源系統的檢測靈敏度。簡而言之，有源激光陀螺儀因其內部增益介質的存在，能夠在同樣條件下提供比無源系統更高的靈敏度，而無源系統則依賴于特定技術（如光纖諧振腔）來提升其性能。
基本構造
以常見的環形激光陀螺儀來研究，激光陀螺的基本構造由光路結構、頻率檢測系統組成。
光路結構
常見的光路結構主要有三角形環形腔和正方形環形腔，三角形環形腔由三個反射鏡組成，其中一個反射鏡鍍膜后可以透過部分光束，用于對光束的探測，還包括激光增益管和氦泵浦以及三個石英或者耐熱玻璃管制成的空管，其中激光增益管主要用于產生光束，氦氖泵浦為環形腔內填充比例為1:1的混合氣體，耐熱玻璃管和三個反射鏡可以形成環形光路回路，為光束提供密閉環境。
正方形環形腔由四個超級反射鏡組成，其中一個超級反射鏡鍍膜后可以透過部分激光束，實現對光束的探測，還包括激光增益管和氦氖泵浦以及四個由耐熱玻璃制成的空管，其中激光增益管主要用于產生光束，氦氖泵浦為環形腔內填充比例為1:1的混合氣體，填充混合氣體前抽空玻璃腔中的空氣，減少空氣對光束的影響。四個耐熱玻璃空管可以形成環形回路，為光束提供傳播條件，反射鏡安裝在四個耐熱空管的拐角處，實現光束形成環形回路。反射鏡的反射率達到99.99%，并且保證反射鏡表面干凈無雜質鋼制空管采用熱膨脹系數小的材料制成，同時環形激光陀螺儀光路結構安裝在微晶玻璃或者非洲花崗石上，目的是防止熱膨脹影響環形激光陀螺儀的穩定性，為防止外界環境(溫度、壓強)對陀螺儀的影響，可以將耐熱玻璃管放置在不銹鋼制成的空管中，其目的也是為防止外界環境對激光束的影響，最后可以將環形激光陀螺儀放置于地下洞穴或者恒溫實驗室中運行，這些都是為實現高精度測量地球參數提供保障。
頻率檢測系統
如下圖所示，環形激光陀螺儀的信號檢測與輸出系統由這些部件構成：反射鏡（1~4）、光電探測器(5)、放大濾波模塊（6）、模數轉換器(7)、FPGA設計板（8），數模轉換器(9)、電壓頻率轉換電路(10)和頻譜儀（11）。
主要類別
二頻機抖激光陀螺
二頻機抖激光陀螺主要有三角形和方形兩種設計。以方形設計為例，它的諧振腔構成包括兩個平面鏡和兩個球面鏡。兩側安裝的壓電陶瓷用于調整腔長，實現穩頻控制。陰極位于對稱中心，兩側的陽極形成對稱結構以穩定放電路徑，并抑制Langmuir流。為減少陀螺進入閉鎖狀態的時間，腔體中心配備機械抖輪以穩定偏頻。諧振腔內充填特定比例的高爆彈Ne氣體，激發產生順/逆時針方向的激光。通過檢測這兩束激光產生的拍頻條紋，可以精確計算出轉動角速度。通過組合三個這樣的陀螺，可以獲得全方位的旋轉信息。例如，Honeywell公司的GG1389型激光陀螺，其零偏穩定性達到業界領先的0.00015度/小時。
空間三軸激光陀螺
空間三軸激光陀螺將傳統的三個單軸陀螺集成為一個設備，通過巧妙設計使每個反射鏡同時服務于兩個方向的光路。這種設計采用了一個陰極和六個布局旋轉對稱的陽極，以支持三個方向的光路。設備可采用內置或外置的抖動機制，抖動軸與三個傳感方向的軸呈54.74度夾角。這種一體化的空間三軸激光陀螺具有體積小、功耗低、高穩定性和低成本的優點，但對腔體加工、調腔技術、氣體放電和穩頻控制等方面提出了更高要求。Kearfott公司和Thales公司的產品是這一技術的代表。
四頻差動激光陀螺
四頻差動激光陀螺采用Faraday效應產生的穩定頻差來取代傳統的機械抖動。它分為平面四頻和空間四頻兩種類型。空間四頻陀螺利用旋光器件產生一對偏振正交的左旋和右旋圓偏光，這兩種偏光通過Faraday旋光晶體后產生頻差。在陀螺靜止時，諧振腔內起振四個本征模式，稱為四頻陀螺。轉動時，左旋和右旋圓偏光產生的頻差變化可用于計算旋轉信息，精度是等體積二頻陀螺的兩倍。由于缺乏機械運動部件，四頻差動陀螺穩定性出色，但技術門檻和工藝難度較高。目前，Northrop Grumman公司已實現該技術的量產。
主要特點
優點
激光陀螺儀有極高的性能穩定性和抗干擾能力，能在惡劣環境條件下如高加速度和強烈振動沖擊下穩定工作，保持其精度（特別是偏置穩定性）在幾千小時的運行后也幾乎不受影響。此外，激光陀螺儀的精度極高，公布的零漂值極低，動態范圍寬，遠超過傳統的機電陀螺儀，能測量極高的轉速。
其次，激光陀螺儀的設計確保了長壽命和高可靠性，其壽命和平均無故障時間（MTBF）均遠高于機電陀螺儀，這歸功于沒有高速轉動部件和啟動及穩定問題，使得啟動迅速，啟動暫態誤差極低。這意味著激光陀螺儀可以在啟動后的極短時間內（通常為1至2分鐘）達到正常工作狀態。
此外，激光陀螺儀的獨特設計允許它在環境溫度發生大范圍變化時仍能正常運行，無需恒溫控制，且具有高度穩定的標度因數。與傳統陀螺儀相比，激光陀螺儀不受動態環境影響，動態范圍造成的誤差極小，這得益于其光學元件的使用和固態幾何形狀的環行激光諧振腔，提供了極高的對準穩定性。
最后，激光陀螺儀具有廣泛的應用靈活性，既可以作為速率陀螺儀，也可用作位置陀螺儀，輸入信號數字化，便于與計算機結合。并且，相比于機電陀螺儀，激光陀螺儀在同等精度和性能要求下成本更低，這使其成為許多高端應用中的首選技術。
缺陷
激光陀螺儀可能會出現“閉鎖現象”，這是一種在低轉速時尤為明顯的技術挑戰。當系統的轉速較低時，由Sagnac效應產生的頻率分離量較小，導致激光器中的兩個非正交的諧振模式通過背向散射等耦合因素發生能量交換，并可能融合成單一模式。這種模式的融合會導致設備無法準確檢測旋轉角速度，從而失去其作為精密測量工具的功能，這種現象被稱為激光陀螺的閉鎖效應。
此外，激光陀螺儀的成本較高，這不僅反映在設備自身的價格上，還體現在其生產過程中需要的昂貴耗材和復雜工藝上。同時，激光陀螺儀的體積也相對較大，這主要由于為了維持必要的靈敏度，其環形激光器諧振裝置需要保持一定的體積，這可能會限制其在空間受限環境下的應用。
應用領域
慣性導航
陸用領域
在陸用領域，隨著信息化戰爭的發展，激光陀螺儀成為了現代陸軍裝備的核心組成部分。它們廣泛應用于定位、導航、預警雷達瞄準、通信指揮定位，以及火炮和沖天炮的瞄準與定向。激光陀螺儀的慣性導航系統因其抗沖擊、抗振動能力強，尺寸小，啟動時間短和高可靠性，特別適合用于復雜地形和惡劣環境下的應用。西方發達國家已將激光陀螺儀慣性系統實現標準化和系列化，廣泛應用于坦克、火箭發射系統、高機動性火炮火箭系統、主戰坦克、輪式車輛、迫擊炮和防空系統等。
航海領域
航海領域見證了高精度激光陀螺儀的廣泛應用，主要用于航海慣導系統。目前，市場上的主流產品包括美國Honeywell、Northrop Grumman、Sperry公司以及法國薩基姆公司生產的艦用激光陀螺導航儀和慣導系統。這些系統被裝備在各種艦艇和潛艇上，包括“凱旋”級、“梭魚”級、“紅寶石”級潛艇和戴高樂號航空母艦，為它們提供精確的導航支持。
航空領域
在航空領域，激光陀螺儀的慣性系統不僅用于制導，還能監測飛機的姿態角和角速度，為飛機提供必要的導航參數。不同機種根據任務特點有不同的需求。例如，戰斗機因其高速、高機動性和短作戰時間的特點，需要具有高動態范圍、導航級精度和快速校準時間的慣性導航系統。而預警機和偵察機則需要長航時工作能力的系統。激光陀螺儀的快速啟動特性使其非常適合軍用飛行器，在快速反應的戰爭環境下展現出優異性能。
航天領域
在航天領域，激光陀螺主要用于衛星、飛船和運載火箭等航天器的姿態測量及控制與慣性制導。在這個領域中，對導航系統的質量、體積、功耗等方面有著極為嚴格的要求。激光陀螺儀因其輕質、小體積、低功耗等特性，在滿足高精度和高可靠性的同時，還能滿足航天器對負載的嚴苛要求。例如，“阿利亞娜”號運載火箭和美國新一代預警衛星的慣導系統就采用了激光陀螺儀，為航天飛行器提供了精確的導航和姿態控制。
地球參數測量
激光陀螺儀在在地球參數的測量上扮演著越來越重要的角色。相比傳統的空間大地測量學技術，如甚長基線干涉測量法、月球激光測距法、Doppler軌道法和衛星定軌測距法，激光陀螺儀提供了一種與地球旋轉軸直接相關的測量手段，能實時捕捉地球參數中的不確定量與時變量。這種測量技術的突破得益于大型激光陀螺儀的發展。這些設備直接安裝在地球表面，與地球固聯，利用激光陀螺儀直接參照地球旋轉軸進行測量。它們的測量精度和穩定性滿足了地球自轉瞬時角速度的高精度測量及世界時解算的需求。
發展趨勢
激光陀螺這項技術正朝著高度集成和與其他導航系統兼容的方向快速發展。近年來，隨著小型無人機、無人駕駛車輛和智能云臺等民用終端的快速普及，對小型陀螺儀的需求急劇上升。雖然傳統激光陀螺以其卓越的檢測精度和穩定性而聞名，但其較大的體積和較高的制造成本限制了其在民用市場的廣泛應用。相比之下，兼容CMOS工藝的微機電系統(MEMS)陀螺儀等微型化慣性導航設備已在低精度應用場景中占據主導地位。
盡管如此，激光陀螺由于其基于光學傳感的原理，從理論上提供了更高的檢測精度，因此其小型化仍是慣性導航領域亟待解決的挑戰。此外，激光陀螺技術的發展還面臨著如何有效抑制量子噪聲和克服閉鎖效應等前沿技術難題。
參考資料 >
慣性導航系統專題報告：測量感知的基礎，精確制導的利.中信建投證券.2024-03-18