亮点 | 基于单片非平面环形腔的小型化、全固态、主动式激光陀螺

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Photonics Research 2025年第4期Editors’ Pick：

Danqing Liu, Changlei Guo, Chunzhao Ma, Weitong Fan, Xuezhen Gong, Zhen Zhang, Wenxun Li, Jie Xu, Kui Liu, Hsien-Chi Yeh, "All-solid-state miniature laser gyroscope based on a single monolithic non-planar ring oscillator," Photonics Res. 13, 897 (2025)

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小型化激光陀螺在航空航天、国防与工业控制等领域具有重要的应用价值。尽管氦氖气体激光陀螺和光纤陀螺等技术在过去几十年中已取得显著成果，但基于激光晶体构建的全固态主动式激光陀螺发展相对滞后，其主要归因于激光模式激烈竞争所导致的稳定性下降，以及闭锁效应对低转速灵敏度的严重影响。针对上述难题，中山大学天琴中心研究团队提出了一种基于单块非平面环形腔的全固态小型化主动式激光陀螺方案。该器件采用毫米级Nd:YAG晶体构建高波前畸变的非平面环形腔结构，有效抑制增益介质中的模式竞争，并通过激光自反馈干涉机制实现稳定的双向激光输出，基于Sagnac效应实现角速度检测。更为关键的是，在外加磁场作用下，环形腔内顺时针与逆时针谐振模式的频率实现非简并，从而在静止状态下输出非零拍频信号，成功规避了闭锁效应。该项研究为全固态主动式激光陀螺的高性能实现提供了新思路，有望为小型化激光陀螺在工程应用中的进一步推广奠定坚实基础。

研究背景

全固态激光陀螺具有寿命长、环境适应性强、结构紧凑等优势，但在过去几十年中，全固态主动式激光陀螺的发展面临两大核心挑战：一是均匀展宽增益介质导致的强烈模式竞争；二是闭锁效应（Lock-in Effect）对低转速灵敏度的限制。

针对上述问题，中山大学郭长磊副教授团队借助高波前畸变的Nd:YAG晶体结合自反馈激光干涉效应降低非平面环形腔（Non-Planar Ring Oscillator，NPRO）中的激光模式竞争，实现了稳定的双向激光模式运行；借助磁场作用下NPRO中的本征偏振模式非简并特性，获得了非零频的拍频信号，从而消除闭锁效应；最终构建了小型化的全固态主动式激光陀螺。相关研究成果以“All-solid-state miniature laser gyroscope based on a single monolithic non-planar ring oscillator”为题发表于Photonics Research 2025年第4期。

该论文的通信作者郭长磊副教授针对NPRO的背景进行了补充：“尽管单片NPRO激光器的研究已有40年之久，但NPRO一直难以产生稳定的双向出光。因此，构建NPRO激光陀螺具有极大的困难。近期研究发现，自反馈激光干涉现象能诱导NPRO双向出光，且双向出光的拍频频率稳定度与晶体的波前畸变有关；高波前畸变的激光晶体更容易获得稳定的双向出光，这是构建NPRO激光陀螺的关键。”

理论与实验重点

该工作构建了NPRO激光自反馈干涉测量的理论模型，阐述基于Sagnac效应的NPRO激光陀螺运行原理，推导得出NPRO投影面积与角速度测量的关系。NPRO陀螺实验示意图如图1所示。

图1 NPRO陀螺实验示意图

实验中，该团队使用转动平台对NPRO陀螺进行了10个角速度的转动测量，如图2所示，测得尺度因子为38.3 Hz/(deg s⁻¹)，符合理论预期。

图2 拍频频率与转速关系（尺度因子）测量图

实验还发现，激光晶体的波前畸变大小会对拍频频率稳定性产生影响，即高畸变样本的拍频稳定性显著优于低畸变样本，其波前畸变对比如图3所示。

图3 波前畸变对比图：(a)高波前畸变；(b)低波前畸变

NPRO陀螺的零偏不稳定性（BI）为31.3 deg/h，角度随机游走（ARW）为0.22 deg/√Hz。最后，该团队通过实验测量了泵浦功率、晶体温度和磁场对拍频频率的调谐系数，评估了其对拍频频率噪声的贡献，发现磁场噪声占主导地位。

图4 NPRO陀螺稳定度实测图

论文作者之一柳奎副教授指出：“闭锁效应是激光陀螺领域长期存在的挑战，尤其在全固态激光陀螺中更为突出。尽管前期对全固态激光陀螺的闭锁效应消除开展了大量研究，但成效有限。本实验通过磁场诱导相向传播光束的退简并效应，给全固态激光陀螺的闭锁效应消除提供了一个全新的解决思路，为全固态激光陀螺的发展及应用提供了强有力的支撑。”

创新点、研究意义与潜在应用

该工作首次实现了基于单片NPRO的小型化全固态主动式激光陀螺，揭示了高波前畸变晶体具有高拍频稳定性的规律；提出紧凑封装方案为NPRO陀螺实用化提供了设计思路，如图5所示。同时，该工作为全固态主动式激光陀螺的发展提供了新范式，为全固态激光陀螺中的模式竞争与锁闭效应提供了新的解决思路。这种小型化全固态主动式激光陀螺未来有望用于航空航天、国防、工业控制等领域。论文作者徐洁助理教授也表示：“基于单片NPRO的全固态主动式激光陀螺具备极紧凑的封装潜力（如图5所示）、极低的电功耗和优越的稳定性，有望为航空航天装备的轻量化、智能化升级提供技术支持。”

图5 NPRO陀螺集成化封装设计图

未来，该团队计划采用钕玻璃替代Nd:YAG晶体并进一步优化设计NPRO结构参数，以显著提升尺度因子；通过主动磁屏蔽、光功率反馈控制等操作，进一步提升拍频频率稳定性；采用集成封装进一步减小体积，增强环境噪声隔离，推动工程化应用。