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引论1

参考文献9

第1章 波动光学10

1.1 光的电磁波性质10

1.2 Maxwell方程10

1.3 光在自由空间中的传播11

1.4 Gauss光束12

1.5 光的偏振14

1.6 双光束干涉20

1.7 多光束干涉23

1.8 光的相干性24

1.9 光的衍射27

1.10 Fresnel衍射30

1.11 Fraunhofer衍射31

1.12 衍射光栅32

1.13 光学仪器的分辨率34

参考文献35

第2章 集成光电子学36

2.1 概述36

2.2 平面光波导36

2.3 平面波导的光传播模式38

2.4 单模的平面波导39

2.5 光波导模式的有效折射率40

2.6 波导模式的电磁学描述41

2.7 Goos-H？nchen位移44

2.8 脊形波导45

2.9 波导的传输损耗47

2.10 弯曲波导50

2.11 波导与光路的耦合51

2.12 光波导传输损耗的测量53

参考文献55

第3章 光纤光学56

3.1 概述56

3.2 光纤结构56

3.3 光纤传输损耗60

3.4 双折射与偏振光纤61

3.5 光纤材料63

3.6 光纤元件64

参考文献70

第4章 量子光学71

4.1 光的产生与辐射71

4.2 Plank热辐射理论72

4.3 光电效应75

4.4 辐射压力与Compton效应77

4.5 氢原子的光谱系列78

4.6 Boor氢原子模型79

4.7 Frank和Hertz的实验82

4.8 氢原子的量子物理学模型84

4.9 自由粒子的运动88

4.10 在无限高墙一维势能阱中的粒子88

4.11 线性简谐振荡器91

4.12 矩形势能门槛的反射与透射95

4.13 有限宽度的矩形势能障碍区97

4.14 隧道效应98

4.15 受激辐射与激光器101

参考文献103

第5章 激光振荡104

5.1 激光的特性104

5.2 原子辐射106

5.3 激光产生的条件108

5.4 激光光谱与增宽112

5.5 激光泵浦113

参考文献114

第6章 半导体激光器115

6.1 半导体基础知识115

6.1.1 能带与Fermi能级115

6.1.2 半导体中的光吸收与光增益118

6.2 半导体激光器的种类120

6.2.1 同质结激光器120

6.2.2 异质结激光器121

6.2.3 量子阱激光器123

6.2.4 垂直腔表面发射半导体激光器125

6.3 半导体激光器的材料126

6.4 激光二极管的输出特性126

6.5 超辐射发光二极管129

参考文献131

第7章 光学陀螺系统的设计方法132

7.1 概述132

7.2 干涉型光学陀螺仪的设计方法133

7.2.1 闭环式干涉型光学陀螺仪的系统结构133

7.2.2 抑制标度因数误差的方法134

7.2.3 抑制零位漂移的方法136

7.2.4 抑制随机游走的方法139

7.2.5 战术级产品设计的实例140

7.2.6 战略级产品设计的实例140

7.3 谐振型光学陀螺仪的设计方法141

7.3.1 双向环形激光器的设计方法141

7.3.2 光路控制方法145

7.3.3 抖动偏频装置的设计方法149

7.3.4 读出装置的设计方法151

7.3.5 导航级产品设计的实例158

参考文献159

第8章 窄带二极管激光器161

8.1 概述161

8.2 谐振型集成光学陀螺对光源的要求161

8.3 二极管激光器用于有源腔集成光学陀螺的可行性164

8.4 分布反馈式二极管激光器的研制165

8.5 分布反馈式二极管激光器的设计方法166

8.6 外腔式二极管激光器的设计方法170

8.7 二极管激光器线宽的测试方法171

参考文献173

第9章 宽带光源174

9.1 超辐射发光二极管174

9.1.1 SLD工作原理175

9.1.2 管芯的封装176

9.1.3 外延层的设计与工艺176

9.1.4 外延层的性能参数178

9.1.5 纵向结构的设计180

9.1.6 光谱特性的测试181

9.1.7 光功率特性的测试181

9.1.8 偏振特性的测试183

9.2 掺铒超荧光光纤光源183

9.2.1 放大自发辐射183

9.2.2 双程与单程结构185

9.2.3 仿真计算186

9.2.4 功率特性188

9.2.5 光谱特性190

9.2.6 光谱特性的温度稳定性193

9.2.7 光纤陀螺对掺铒光纤光源的反馈作用195

参考文献199

第10章 集成光电子器件200

10.1 概述200

10.2 无源平面光波导材料的淀积200

10.3 光刻工艺202

10.4 干法刻蚀工艺203

10.5 离子交换工艺204

10.6 无源Sagnac效应敏感环205

10.7 有源Sagnac效应敏感环209

参考文献214

第11章 反射镜式激光陀螺216

11.1 激光陀螺发展历程217

11.2 反射镜式激光陀螺总体方案220

11.2.1 三角形谐振腔激光陀螺和四边形谐振腔激光陀螺220

11.2.2 单轴激光陀螺和三轴激光陀螺225

11.2.3 激光陀螺的偏频方案229

11.2.4 激光谐振腔的模式选择230

11.3 反射镜式二频激光陀螺230

11.3.1 反射镜式激光谐振腔的稳定性设计231

11.3.2 抖动偏频激光陀螺233

11.3.3 速率偏频激光陀螺239

11.3.4 磁镜偏频激光陀螺242

11.3.5 塞曼偏频激光陀螺244

11.4 反射镜式四频激光陀螺249

11.4.1 法拉第偏频激光陀螺的基本原理250

11.4.2 非共面谐振腔的设计方案255

11.4.3 法拉第偏频组件257

11.4.4 法拉第偏频激光陀螺的特点258

参考文献260

第12章 全反射棱镜式激光陀螺262

12.1 全反射棱镜式激光陀螺工作原理263

12.1.1 布儒斯特角263

12.1.2 全反射264

12.1.3 全反射棱镜式激光陀螺工作原理267

12.1.4 全反射棱镜式激光陀螺的特点269

12.2 全反射棱镜式激光陀螺误差分析270

12.2.1 全反射棱镜式激光陀螺自洽场方程组270

12.2.2 无源环形腔中波动方程的解271

12.2.3 全反射棱镜式激光陀螺自洽方程组276

12.2.4 全反射棱镜式激光陀螺比例因子修正280

12.2.5 全反射棱镜式激光陀螺零位漂移287

12.2.6 全反射棱镜式激光陀螺闭锁效应287

12.3 全反射棱镜式激光陀螺设计技术294

12.3.1 全反射棱镜式激光谐振腔设计294

12.3.2 频率控制系统设计300

12.3.3 光强控制系统设计306

12.3.4 抖动偏频系统设计311

12.4 全反射棱镜式激光陀螺检测技术322

12.4.1 全反射棱镜式激光陀螺应力检测322

12.4.2 全反射棱镜式激光陀螺增损比检测330

12.4.3 全反射棱镜式激光陀螺模态检测331

12.4.4 全反射棱镜式激光陀螺阈值电压检测337

12.5 全反射棱镜式双纵模激光陀螺339

12.5.1 全反射棱镜式激光陀螺自适应双纵模稳频技术339

12.5.2 双纵模自偏频理论344

参考文献352

第13章 激光陀螺捷联惯性导航系统353

13.1 激光捷联惯导系统设计通则353

13.1.1 激光捷联惯导系统的基本组成353

13.1.2 激光捷联惯导系统的力学编排354

13.1.3 激光捷联惯导系统的误差模型356

13.1.4 激光捷联惯导系统的基本导航算法357

13.1.5 激光捷联惯导系统的电气设计364

13.1.6 激光捷联惯导系统的结构设计368

13.2 抖动偏频激光捷联惯导系统372

13.2.1 抖动偏频激光陀螺仪表级预处理372

13.2.2 抖动偏频激光陀螺IMU的标定372

13.2.3 系统内杆臂补偿375

13.2.4 惯导系统温度补偿377

13.2.5 抖动偏频激光捷联惯导系统的典型应用377

13.3 法拉第偏频激光捷联惯导系统384

13.3.1 法拉第偏频激光陀螺寻北仪385

13.3.2 法拉第偏频激光捷联惯导系统的典型应用386

13.4 速率偏频激光捷联惯导系统387

13.4.1 系统设计387

13.4.2 速率偏频激光捷联惯导系统的典型应用392

13.5 激光陀螺在常规弹药中的应用392

13.5.1 传递对准技术397

13.5.2 几种精确制导弹药401

参考文献407

第14章 激光陀螺系统的结构408

14.1 概述408

14.2 棱镜式激光陀螺仪409

14.3 反射镜式激光陀螺仪411

14.4 无源腔激光陀螺仪412

14.4.1 无源腔激光陀螺的实验装置412

14.4.2 闭锁阈值的测试方法413

14.4.3 闭锁阈值的测试结果414

14.5 固态激光陀螺仪417

14.6 脉冲式激光陀螺仪419

14.6.1 脉冲式染料激光陀螺的实验研究419

14.6.2 脉冲式钛宝石激光陀螺的实验研究420

14.6.3 脉冲式激光陀螺原理样机的设计421

14.6.4 脉冲式激光陀螺的设计423

14.7 微型激光陀螺仪426

参考文献427

第15章 干涉式光纤陀螺仪429

15.1 光纤陀螺最小互易结构429

15.2 干涉式光纤陀螺技术方案430

15.2.1 光学结构431

15.2.2 信号处理方法432

15.3 战略级光纤陀螺技术434

15.3.1 战略级光纤陀螺器件技术434

15.3.2 战略级光纤陀螺系统技术442

15.3.3 战略级光纤陀螺研究现状449

15.4 光子晶体光纤陀螺451

15.4.1 光子晶体光纤451

15.4.2 光子晶体光纤陀螺的关键技术455

15.4.3 光子晶体光纤陀螺的研究现状457

15.5 光纤陀螺空间应用技术459

15.5.1 光纤辐射效应及其对陀螺的影响459

15.5.2 抗辐照加固技术460

15.5.3 耐热真空设计462

15.5.4 故障诊断与重构463

参考文献466

第16章 光纤陀螺及其导航系统468

16.1 光纤捷联惯性导航系统468

16.2 光纤捷联惯性导航系统误差模型469

16.2.1 器件误差模型469

16.2.2 系统误差模型470

16.3 光纤捷联惯性导航系统标定与对准方法474

16.3.1 器件级及系统级标定474

16.3.2 静基座对准480

16.3.3 飞行对准及传递对准483

16.4 光纤捷联惯性导航系统的应用486

16.4.1 陆用光纤陀螺惯性导航系统486

16.4.2 航空光纤捷联惯性导航系统486

16.4.3 海用光纤捷联罗经488

16.4.4 弹用光纤捷联惯性导航系统491

16.4.5 空间应用光纤捷联惯性导航系统493

16.4.6 民用光纤捷联惯性导航技术494

参考文献497

第17章 循环干涉型光学陀螺499

17.1 概述499

17.2 循环干涉型光纤陀螺的系统方案500

17.3 循环干涉型光纤陀螺的理论分析501

17.3.1 光强传递函数501

17.3.2 标度因数502

17.3.3 信噪比和分辨率503

17.3.4 正弦调制特性分析504

17.4 循环干涉型光纤陀螺的实验505

17.4.1 光波多次循环的实验验证505

17.4.2 循环干涉型光纤陀螺的系统实验505

17.5 有源循环干涉型光纤陀螺508

参考文献511

第18章 集成光学陀螺仪513

18.1 概述513

18.2 发展历程513

18.2.1 有源集成光学陀螺514

18.2.2 无源集成光学陀螺515

18.3 总体方案519

18.3.1 光学元器件521

18.3.2 波导谐振腔524

18.3.3 信号检测方案529

18.4 误差分析532

18.4.1 背向散射噪声532

18.4.2 偏振噪声536

18.4.3 克尔噪声542

参考文献544

附录A 量子光学中的数学工具546

A.1 随机变量的统计特性546

A.2 随机过程的统计特性547

A.3 量子物理学的基本定律552

A.4 不确定性关系与Schr？dinger方程553

A.5 量子物理学中的算子及其特性554

A.6 重要物理量的算子556

A.7 算子形式的Schr？dinger方程558

附录B Sagnac效应559

附录C 捷联惯性导航系统基础理论知识563

C.1 捷联惯性导航系统概述563

C.2 捷联惯性导航系统常用坐标系定义564

C.3 坐标系之间的关系565

C.4 捷联惯导系统算法编排566

名词索引569