激光陀螺，又称环形激光陀螺仪，是一种用于测量载体角运动状态的惯性传感装置。该装置主要利用光程差的原理——Sagnac 效应来测量角速度，从而相较于机械式陀螺拥有高精度、启动快速等特点，并主要被应用于惯性导航和地球参数测量等领域。

激光陀螺起源于1960年，美国物理学家西奥多·梅曼（Theodore Maiman）研制出世界首台激光器——红宝石激光器，为激光陀螺仪的发展奠定了基础。紧接着，1963年，环形激光陀螺诞生，开启了新的研究方向。到了1975年和1976年，激光陀螺仪开始被应用于飞机和战术导弹上，标志着其正式进入实用阶段，且广泛应用于各种导航和稳定系统。20世纪末至21世纪初，随着半导体激光技术的进步，集成光学陀螺和片上陀螺研究取得显著进展。2017年，出现了具有高测量精度的全芯片结构激光陀螺仪，以及基于受激Brillouin散射的有源主动式激光陀螺，并再度提高了角速度测量精度。近年来，激光陀螺技术的研究主要集中在如何实现光源与转动敏感元件的集成化，目的是开辟新的应用领域和提升性能。

激光陀螺主要有二频机抖激光陀螺、空间三轴激光陀螺和四频差动激光陀螺等类型。其基本构造包括光路结构和频率检测系统。激光陀螺主要利用光程差的原理——Sagnac 效应来测量角速度，具体为：两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺仪的角速度。激光陀螺的发展主要受制造成本和体积等因素制约，并主要将朝着高度集成、微型化，以及与其他导航系统兼容的方向发展。

1960年，美国物理学家西奥多·梅曼（Theodore Maiman）研制出了世界上第一台激光器——红宝石激光器，这一创新不仅开启了激光技术的新纪元，也为陀螺仪的发展奠定了基础。紧接着在1961至1962年间，希尔（C.V. Heer）和罗森塔尔（A.H. Rosenthal）等人提出了环形激光陀螺的设想，并于1963年制造出世界上第一台环形激光陀螺实验装置。这一设想及其实现，为后续激光陀螺仪的发展指明了方向。

美国霍尼韦尔（Honeywell）公司在环形激光陀螺仪的研制上投入了巨大努力，并最终于1975年和1976年分别实现了激光陀螺在飞机和战术导弹上的试飞成功，这标志着激光陀螺仪正式进入了实用阶段。自20世纪80年代以来，激光陀螺仪成功应用于飞机、地面车辆导航、舰炮稳定等多个领域，极大地提高了这些系统的精度和可靠性。1989年，船用激光陀螺惯性导航系统的研制成功进一步扩大了激光陀螺仪的应用范围，为海上导航提供了更加精确和可靠的技术支持。

在20世纪末开始了集成光学陀螺的研究。1983年，美国Northrop Grumman公司率先提出了利用无源环形谐振腔构建微型光学陀螺的方案。随后，1996年，清华大学设计出一款以无源环形光波导为核心敏感元件的谐振型集成激光陀螺。

进入21世纪，随着半导体激光技术的成熟，实用化的激光陀螺芯片开始出现。2017年，OEwaves公司报道了一种全芯片结构的无源谐振式光学陀螺仪，该陀螺仪具有简单的结构，并采用高品质的微环谐振腔和稳频技术，提高了检测精度。然而，这款芯片陀螺仪在测量精度和稳定性方面仍面临挑战。

2017年加州理工学院的Vahala课题组研制出一款基于受激Brillouin散射激光的有源主动式激光陀螺，具有高测量灵敏度和大直径的微环谐振腔。2020年，该课题组进一步优化了片上光学陀螺的性能，实现了更低的随机游走噪声和更高的角速度测量精度。

近年来，国内外研究团队已开始探索周期性微纳结构构建环形激光器，以实现光源与转动敏感元件的集成化。2018年和2020年，国际科研团队在顶级期刊上发表了关于拓扑环形激光器和工作在太赫兹波段的三角形激光器的理论和实验研究，这些激光器展示了出色的单模特性和双向输出功率均衡性。

激光陀螺仪在工作时会基于“Sagnac效应”，即：在闭合的环形光学腔中，顺时针和逆时针传播的两束光波之间会产生一个相位差（Δφ），这个相位差与系统的转动角速度（Ω）之间存在线性关系。Sagnac效应是激光陀螺仪进行角运动传感的核心理论基础。激光陀螺具体的工作原理为：两束光波沿着同一个圆周路径反向而行，当光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出激光陀螺仪的角速度。

Sagnac效应的理论分析需区别考虑有源和无源两种情况。在更高的检测精度要求下，还需引入广义相对论来对腔内的电动力学过程进行进一步的修正。对于有源主动式激光陀螺，其谐振腔内部含有增益介质，使得探测光是由内部产生。这意味着，顺时针和逆时针产生的两个激光模式必须满足谐振腔的谐振条件以产生激光。

在无源系统中，由于相位差与角速度变化之间的标度因数（scale factor）公式的分母包含光速c，这导致其灵敏度显著低于有源系统。然而，通过采用光纤谐振腔，可以有效提升无源系统的检测灵敏度。简而言之，有源激光陀螺仪因其内部增益介质的存在，能够在同样条件下提供比无源系统更高的灵敏度，而无源系统则依赖于特定技术（如光纤谐振腔）来提升其性能。

以常见的环形激光陀螺仪来研究，激光陀螺的基本构造由光路结构、频率检测系统组成。

常见的光路结构主要有三角形环形腔和正方形环形腔，三角形环形腔由三个反射镜组成，其中一个反射镜镀膜后可以透过部分光束，用于对光束的探测，还包括激光增益管和氦泵浦以及三个石英或者耐热玻璃管制成的空管，其中激光增益管主要用于产生光束，氦氖泵浦为环形腔内填充比例为1:1的混合气体，耐热玻璃管和三个反射镜可以形成环形光路回路，为光束提供密闭环境。

正方形环形腔由四个超级反射镜组成，其中一个超级反射镜镀膜后可以透过部分激光束，实现对光束的探测，还包括激光增益管和氦氖泵浦以及四个由耐热玻璃制成的空管，其中激光增益管主要用于产生光束，氦氖泵浦为环形腔内填充比例为1:1的混合气体，填充混合气体前抽空玻璃腔中的空气，减少空气对光束的影响。四个耐热玻璃空管可以形成环形回路，为光束提供传播条件，反射镜安装在四个耐热空管的拐角处，实现光束形成环形回路。反射镜的反射率达到99.99%，并且保证反射镜表面干净无杂质钢制空管采用热膨胀系数小的材料制成，同时环形激光陀螺仪光路结构安装在微晶玻璃或者非洲花岗石上，目的是防止热膨胀影响环形激光陀螺仪的稳定性，为防止外界环境(温度、压强)对陀螺仪的影响，可以将耐热玻璃管放置在不锈钢制成的空管中，其目的也是为防止外界环境对激光束的影响，最后可以将环形激光陀螺仪放置于地下洞穴或者恒温实验室中运行，这些都是为实现高精度测量地球参数提供保障。

如下图所示，环形激光陀螺仪的信号检测与输出系统由这些部件构成：反射镜（1~4）、光电探测器(5)、放大滤波模块（6）、模数转换器(7)、FPGA设计板（8），数模转换器(9)、电压频率转换电路(10)和频谱仪（11）。

二频机抖激光陀螺主要有三角形和方形两种设计。以方形设计为例，它的谐振腔构成包括两个平面镜和两个球面镜。两侧安装的压电陶瓷用于调整腔长，实现稳频控制。阴极位于对称中心，两侧的阳极形成对称结构以稳定放电路径，并抑制Langmuir流。为减少陀螺进入闭锁状态的时间，腔体中心配备机械抖轮以稳定偏频。谐振腔内充填特定比例的高爆弹Ne气体，激发产生顺/逆时针方向的激光。通过检测这两束激光产生的拍频条纹，可以精确计算出转动角速度。通过组合三个这样的陀螺，可以获得全方位的旋转信息。例如，Honeywell公司的GG1389型激光陀螺，其零偏稳定性达到业界领先的0.00015度/小时。

空间三轴激光陀螺将传统的三个单轴陀螺集成为一个设备，通过巧妙设计使每个反射镜同时服务于两个方向的光路。这种设计采用了一个阴极和六个布局旋转对称的阳极，以支持三个方向的光路。设备可采用内置或外置的抖动机制，抖动轴与三个传感方向的轴呈54.74度夹角。这种一体化的空间三轴激光陀螺具有体积小、功耗低、高稳定性和低成本的优点，但对腔体加工、调腔技术、气体放电和稳频控制等方面提出了更高要求。Kearfott公司和Thales公司的产品是这一技术的代表。

四频差动激光陀螺采用Faraday效应产生的稳定频差来取代传统的机械抖动。它分为平面四频和空间四频两种类型。空间四频陀螺利用旋光器件产生一对偏振正交的左旋和右旋圆偏光，这两种偏光通过Faraday旋光晶体后产生频差。在陀螺静止时，谐振腔内起振四个本征模式，称为四频陀螺。转动时，左旋和右旋圆偏光产生的频差变化可用于计算旋转信息，精度是等体积二频陀螺的两倍。由于缺乏机械运动部件，四频差动陀螺稳定性出色，但技术门槛和工艺难度较高。目前，Northrop Grumman公司已实现该技术的量产。

激光陀螺仪有极高的性能稳定性和抗干扰能力，能在恶劣环境条件下如高加速度和强烈振动冲击下稳定工作，保持其精度（特别是偏置稳定性）在几千小时的运行后也几乎不受影响。此外，激光陀螺仪的精度极高，公布的零漂值极低，动态范围宽，远超过传统的机电陀螺仪，能测量极高的转速。

其次，激光陀螺仪的设计确保了长寿命和高可靠性，其寿命和平均无故障时间（MTBF）均远高于机电陀螺仪，这归功于没有高速转动部件和启动及稳定问题，使得启动迅速，启动暂态误差极低。这意味着激光陀螺仪可以在启动后的极短时间内（通常为1至2分钟）达到正常工作状态。

此外，激光陀螺仪的独特设计允许它在环境温度发生大范围变化时仍能正常运行，无需恒温控制，且具有高度稳定的标度因数。与传统陀螺仪相比，激光陀螺仪不受动态环境影响，动态范围造成的误差极小，这得益于其光学元件的使用和固态几何形状的环行激光谐振腔，提供了极高的对准稳定性。

最后，激光陀螺仪具有广泛的应用灵活性，既可以作为速率陀螺仪，也可用作位置陀螺仪，输入信号数字化，便于与计算机结合。并且，相比于机电陀螺仪，激光陀螺仪在同等精度和性能要求下成本更低，这使其成为许多高端应用中的首选技术。

激光陀螺仪可能会出现“闭锁现象”，这是一种在低转速时尤为明显的技术挑战。当系统的转速较低时，由Sagnac效应产生的频率分离量较小，导致激光器中的两个非正交的谐振模式通过背向散射等耦合因素发生能量交换，并可能融合成单一模式。这种模式的融合会导致设备无法准确检测旋转角速度，从而失去其作为精密测量工具的功能，这种现象被称为激光陀螺的闭锁效应。

此外，激光陀螺仪的成本较高，这不仅反映在设备自身的价格上，还体现在其生产过程中需要的昂贵耗材和复杂工艺上。同时，激光陀螺仪的体积也相对较大，这主要由于为了维持必要的灵敏度，其环形激光器谐振装置需要保持一定的体积，这可能会限制其在空间受限环境下的应用。

在陆用领域，随着信息化战争的发展，激光陀螺仪成为了现代陆军装备的核心组成部分。它们广泛应用于定位、导航、预警雷达瞄准、通信指挥定位，以及火炮和冲天炮的瞄准与定向。激光陀螺仪的惯性导航系统因其抗冲击、抗振动能力强，尺寸小，启动时间短和高可靠性，特别适合用于复杂地形和恶劣环境下的应用。西方发达国家已将激光陀螺仪惯性系统实现标准化和系列化，广泛应用于坦克、火箭发射系统、高机动性火炮火箭系统、主战坦克、轮式车辆、迫击炮和防空系统等。

航海领域见证了高精度激光陀螺仪的广泛应用，主要用于航海惯导系统。目前，市场上的主流产品包括美国Honeywell、Northrop Grumman、Sperry公司以及法国萨基姆公司生产的舰用激光陀螺导航仪和惯导系统。这些系统被装备在各种舰艇和潜艇上，包括“凯旋”级、“梭鱼”级、“红宝石”级潜艇和戴高乐号航空母舰，为它们提供精确的导航支持。

在航空领域，激光陀螺仪的惯性系统不仅用于制导，还能监测飞机的姿态角和角速度，为飞机提供必要的导航参数。不同机种根据任务特点有不同的需求。例如，战斗机因其高速、高机动性和短作战时间的特点，需要具有高动态范围、导航级精度和快速校准时间的惯性导航系统。而预警机和侦察机则需要长航时工作能力的系统。激光陀螺仪的快速启动特性使其非常适合军用飞行器，在快速反应的战争环境下展现出优异性能。

在航天领域，激光陀螺主要用于卫星、飞船和运载火箭等航天器的姿态测量及控制与惯性制导。在这个领域中，对导航系统的质量、体积、功耗等方面有着极为严格的要求。激光陀螺仪因其轻质、小体积、低功耗等特性，在满足高精度和高可靠性的同时，还能满足航天器对负载的严苛要求。例如，“阿利亚娜”号运载火箭和美国新一代预警卫星的惯导系统就采用了激光陀螺仪，为航天飞行器提供了精确的导航和姿态控制。

激光陀螺仪在在地球参数的测量上扮演着越来越重要的角色。相比传统的空间大地测量学技术，如甚长基线干涉测量法、月球激光测距法、Doppler轨道法和卫星定轨测距法，激光陀螺仪提供了一种与地球旋转轴直接相关的测量手段，能实时捕捉地球参数中的不确定量与时变量。这种测量技术的突破得益于大型激光陀螺仪的发展。这些设备直接安装在地球表面，与地球固联，利用激光陀螺仪直接参照地球旋转轴进行测量。它们的测量精度和稳定性满足了地球自转瞬时角速度的高精度测量及世界时解算的需求。

激光陀螺这项技术正朝着高度集成和与其他导航系统兼容的方向快速发展。近年来，随着小型无人机、无人驾驶车辆和智能云台等民用终端的快速普及，对小型陀螺仪的需求急剧上升。虽然传统激光陀螺以其卓越的检测精度和稳定性而闻名，但其较大的体积和较高的制造成本限制了其在民用市场的广泛应用。相比之下，兼容CMOS工艺的微机电系统(MEMS)陀螺仪等微型化惯性导航设备已在低精度应用场景中占据主导地位。

尽管如此，激光陀螺由于其基于光学传感的原理，从理论上提供了更高的检测精度，因此其小型化仍是惯性导航领域亟待解决的挑战。此外，激光陀螺技术的发展还面临着如何有效抑制量子噪声和克服闭锁效应等前沿技术难题。