激光陀螺儀（laser gyroscope），是應用激光技術而做成的測量轉動角速度的一種慣性器件。激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度（即Sagnac效應），主要由環形諧振腔體、反射鏡、增益介質和讀出機構相關的電子線路組成。
1960年，激光在世界上首次出現。1962年，美、英、法、蘇幾乎同時開始研制用激光來探測角度變化的儀器，稱之為激光陀螺儀。1963年2月，美國研制出世界上第一臺激光陀螺試驗室樣機。20世紀70年代，出現了可用于慣性導航系統中的激光陀螺儀。1984年，美國激光陀螺的發展基本成熟，進入批量化生產階段。
激光陀螺已經廣泛應用于海、陸、空、天等軍用和民用領域，成為慣性導航與制導等系統的理想傳感元件。研究表明，通過增大激光陀螺的尺寸可顯著提高精度，用超大激光陀螺可以觀察微小的地震效應、固體地面潮汐效應，還有望用來測量引力波等幾種相對論效應。
歷史沿革
1913年，法國物理學家M.薩奈克（M.Sagnac）提出了采用環形光路干涉測量角度速度的原理，被稱為薩奈克效應。但限于當時的技術水平，這種光學干涉儀在精度上距離實用較遠。1960年，激光在世界上首次出現。1962年，美、英、法、蘇幾乎同時開始醞釀研制用激光來探測角度變化的儀器，稱之為激光陀螺儀。1963年2月，美國Sperry公司用環形激光器感測旋轉速率獲得成功，研制出世界上第一臺激光陀螺試驗室樣機。20世紀70年代，激光技術的飛速發展推動了激光陀螺儀的發展，出現了可用于慣性導航系統中的激光陀螺儀。經過20多年理論研究與關鍵技術方面的艱苦攻關，1984年，Honeywell公司的激光陀螺開始在飛機上大量使用，標志著美國激光陀螺的發展基本成熟，進人批量化生產階段。
原理
激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度（即Sagnac效應）。當光學諧振腔間隙有微小變化時，激光頻率在固有頻率附近變化。激光陀螺就是利用這種現象，把角速度產生的變化作為諧振腔的變化，從而使兩個反向旋轉的激光射束之間出現頻率差。依據激光的相干性原理，這種激光射線束的頻率差可以表現為干涉條紋的數量變化，從而測出輸入角速度。
結構
激光陀螺儀主要由環形諧振腔體、反射鏡、增益介質和讀出機構相關的電子線路組成。在環形腔內充有按一定比例配制的氦，氖增益介質，以保證連續激光的產生；三個光學平面反射鏡形成閉合光路（環形激光諧振器）。由光電二極管組成的光電讀出電路可以檢測出兩束相向運行光的光程差或者頻差，進而得到被測角速度。
環形諧振腔
激光陀螺儀采用的環形諧振腔，通常有三角形和方形兩種結構形式。在光程長度L給定的條件下，方形諧振腔所包圍的面積比三角形的大，采用方形諧振腔所獲得的標度因數要高于同等長度光路的三角形諧振腔。
大多數環形激光陀螺儀的諧振腔采用整體式設計，通過在玻璃體上鉆孔來提供激光光束的光路。常用的腔體材料是零膨脹系數的石英玻璃體或者特殊制造的陶瓷玻璃，這些材料一是保證溫度膨脹系數要小，以減小回路長度的壓電控制量；二是要對氦氣不滲透。當然，加工的難易性、成本等也是要考慮的。腔體反射鏡是一個關鍵部件，其平面要加工平滑并有正確的安裝角度。有的設計模式采用一個分離的激光發射管和一個整體的腔體，即將增益介質放在一個分離的增益管中，增益管放置在腔體中的兩個反射鏡之間，這種模式的環形激光陀螺儀體積要大于整體式的環形激光陀螺儀。
反射鏡
反射鏡是環形激光陀螺儀最重要的部件，一般都放在光同腔體接觸的位置，構成一個無應力、密封的腔體，它的作用就是無損失、準確地改變光在光路中的運行方向。由于表面不光滑和制造的光模特性不一致性將引起光的散射，經過吸收和傳遞，每一個反射鏡都可能引起部分激光能量的損失，導致鎖定。
增益介質
由激光理論可知，激光管中的工作介質在外來激勵作用下，原子將從基態被激發到高能級，使得在某兩個能級之間實現粒子數的反轉分布，此時的工作介質稱為激活物質或增益介質。光通過激活物質時將被放大，獲得增益。但是激活物質的長度不可能做得很長，而且光通過它時還將存在損耗，所以光在一次通過激活物質時獲得的增益是有限的。為了使受激輻射的光不斷放大，獲得足夠高的增益，并使它的頻率、方向、偏振和相位都相同，需要有光學諧振腔才行，因此激光陀螺儀采用環形諧振腔。
大多數環形激光陀螺儀中應用的增益介質是高純度的氦的三重混合物和兩個氖的同位素在適當的壓力下以一定比例混合形成的混合物，增益介質充滿諧振腔，其作用一是確保在腔內產生激光，二是向腔內諧振狀態提供增益，使其保持諧振狀態。
讀出機構
為了敏感相向傳播的兩束光之間的頻差，需要將這兩束光引出諧振腔外，使它們混合并入射到光檢測器上。兩束光的一小部分能量通過半透半反射鏡射入直角合光棱鏡，再經合光棱鏡相應的透射和反射，使兩束光匯合。由于合光棱鏡的直角不可能嚴格地等于90度，總存在一個小偏角，兩束光從合光棱鏡出射后也有很小的夾角，其值約為幾角秒，于是就在光檢測器上產生平行等距的干涉條紋。這樣，當干涉條紋在光檢測器上移動時，就會輸出電脈沖信號。輸入的角速度越大，干涉條紋移動的速度越快，輸出的電脈沖的頻率也越高。因此，只要采用頻率計測出電脈沖的頻率，就可以測得輸入角速度。如果采用可逆計數器測出電脈沖的個數，則可測得輸入轉角。
電路部分
激光陀螺儀的電路部分主要由放電電流控制、光程長度控制、抖動驅動、讀出放大與方向判定等部分組成。三角形環形激光陀螺儀設計有兩個陽極和一個陰極，在兩個陽極和陰極之間加上對稱的直流高壓以使其啟動放電。因為在光路長度上的任何變化，都相當于刻度因數和零點穩定性的變化，導致整個敏感器的精度變化，所以在放電啟動后，由電流控制電路解調，一個控制電路完成激光束路徑長度的控制，即光程長度控制。每個反射鏡上附加一個壓電傳感器，在環境溫度變化時保證光程長度為常值。環形激光陀螺儀采用抖動技術可以避免陀螺儀工作于死區內，抖動驅動電路就是控制機械抖動機構的抖動，提高陀螺儀的性能。讀出放大與方向判斷電路用于判斷輸出的脈沖是正比于順時針或逆時針旋轉。
分類
激光陀螺儀的分類方法主要有三種，分別是按激光諧振腔的腔型、按采用何種偏頻方案及根據同一玻璃基體上敏感軸的數目來劃分。此外通過激光陀螺儀的結構形式也可以劃分為分離式(組件式)和整體式兩種。
按腔型分類
激光陀螺儀的激光諧振腔的腔型主要有三角形腔和四邊形腔兩類。
1、三角形腔。三角形腔有三條毛細孔，三面激光反射鏡，其腔型可以是正三角形，也可以是等腰三角形。
2、四邊形腔。絕大多數四邊形腔都是正方形平面腔，只有少數四邊形腔不是正方形而是8字形或非共面四邊形。
按敏感軸數量分類
如果在同一玻璃基體上，激光陀螺儀只敏感一個方向的轉動角速度，則稱其為單軸激光陀螺儀；如果在同一玻璃基體上，激光陀螺儀可以敏感三個方向的轉動角速率，則稱其為三軸激光陀螺儀。
按采用的頻偏方式分類
按頻偏方式來分，激光陀螺儀主要有抖動偏頻式、速率偏頻式和磁鏡偏頻式等。
分離式
結構的特點是激光管在諧振腔中作為單獨的器件。這種結構簡單，易于制造，而且反射鏡和激光管是分離的，便于拆卸。
整體式
結構的特點是在諧振腔內將激光管和環路合為體，這種結構可保證對準穩定性，且零件數量少，但必須全密封，以免工作氣體漏出腔外。實際中多采用的是整體式結構。
特點與優點
1、激光陀螺儀由于沒有機械轉動部件的摩擦引起的誤差，角位移測量精度高，被測角速度范圍大。
2、激光陀螺儀的動態范圍很寬，測得速率為±1500度每秒，最小敏感角速度小于±0.001度每小時以下，分辨率為/弧度秒數量級，用固有的數字增量輸出載體的角度和角速度信息，無需精密的模數轉換器，很容易轉換成數字形式，方便與計算機接口，適合捷聯式系統使用。
3、激光陀螺儀的工作溫度范圍很寬（從-55℃~﹢95℃），無需加溫，啟動過程時間短，系統反應時間快，接通電源零點幾秒就可以投入正常工作。達到0.5度每小時的精度，只需50毫秒時間，對航空武器系統的制導來說，是十分寶貴的。
4、激光陀螺儀結構簡單，工作壽命長，維修方便，可靠性高。組成陀螺的零件品種和數量少，機械加工較少，易于批量生產和自動化生產，成本是常規陀螺的三分之一左右。
5、激光陀螺儀沒有活動部件，不存在質量不平衡問題，所以對載體的震動及沖擊加速度都不敏感，對重力加速度的敏感度也可忽略不計，因而無需不平衡補償系統，輸出信號沒有交叉耦合項，精度高，偏值小于0.001度每小時，隨機漂移小于0.001度每小時，長期精度穩定性好，在9年內輸出沒有任何變化，重復性極好。
應用領域
激光陀螺已經廣泛應用于海、陸、空、天等軍用和民用領域，成為慣性導航與制導等系統的理想傳感元件。激光陀螺儀作為飛行器慣導系統核心的慣性器件，在國防科學技術和國民經濟的許多領域中占有重要的地位。激光陀螺儀花費了很長時間和大量投資解決了閉鎖問題，直到20世紀80年代初才研制出飛機導航級儀表，此后就迅速應用于飛機和直升機，取代了動力調諧陀螺和積分機械陀螺儀。已廣泛用于導航，雷達和制導等領域。研究表明，通過增大激光陀螺的尺寸可顯著提高精度，用超大激光陀螺可以觀察微小的地震效應、固體地面潮汐效應（固體 地球 tides，不同于海洋潮汐效應），還有望用來測量引力波等幾種相對論效應。
參考資料 >
激光陀螺儀.中國大百科全書.2024-03-19
激光陀螺儀.微信公眾平臺.2024-10-19