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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