CN102928082B - 一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法 - Google Patents

Abstract

一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，本发明涉及一种使用法拉第调制器测量光偏振微小转角过程中用于精确消除因调制幅度和入射光光强波动引起的测量误差的方法。该方法采用数字锁相放大器模块对待解调信号中的一次、二次谐波信号进行测量，结合法拉第调制器入射光的光强信号，经解算可将一次谐波信号中与调制幅度和入射光光强有关的参数消除，最终得到不受调制幅度和光强波动影响的光偏振微小转角。本发明可消除法拉第调制器在测量光偏振微小转角过程中因调制幅度和入射光光强不稳定导致的测量误差，显著提高其长时间的检测精度，可用于原子自旋磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器对光偏振微小转角的精密测量。

Description

一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法

技术领域

本发明涉及一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，可作为原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器设备中对光偏振微小转角的精密测量方法，同时还可作为对法拉第调制器调制幅度及入射光光强的实时监测方法。

背景技术

法拉第调制器检测方法作为高精度的光偏振微小转角测量方法，与光弹性调制检测方法、偏振分光棱镜差分检测方法等相比，拥有更高的检测灵敏度，因此在最近兴起的原子磁强计及原子自旋陀螺仪等精密测量仪器中有着极其重要而又广泛的应用前景，而其核心器件是位于法拉第调制器磁场中心区域的顺磁性磁光晶体。相比逆磁性磁光晶体，相同条件下顺磁性磁光晶体能使入射线偏振光产生更大的偏振转角，因此以顺磁性磁光晶体为核心敏感器件的法拉第调制器有着更高的微小转角检测灵敏度。然而，这也导致了顺磁性磁光晶体的调制幅度更容易受到调制磁场波动的影响。与此同时，顺磁性磁光晶体的维尔德常数对温度及入射光的波长有很强的依赖性，磁光晶体温度及入射光波长的变化都会引起磁光晶体维尔德常数的波动，进而影响法拉第调制器调制幅度的稳定。传统的法拉第检测方法主要利用一次谐波信号对线偏振微小转角进行测量，而把法拉第调制器的调制幅度及其入射光的光强均看作定值以对微小转角进行解算，因此，实际情况中法拉第调制器调制幅度及入射光光强的波动都会给检测结果带来误差，影响了法拉第调制器对微小转角的测量精度，这极大限制其在原子磁强计及原子自旋陀螺仪等精密测量中的应用。对于追求长期稳定性性能指标的原子自旋陀螺仪，这一问题表现得尤为突出。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有法拉第调制器检测方法的不足，提出一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，通过基于待解调信号中一次谐波和二次谐波信号的综合数据处理方法，实现对法拉第调制器调制幅度及入射光光强变化的实时监测，进而将所测微小转角与二者分离，获得与法拉第调制器调制幅度及入射光光强变化无关的光偏振微小转角，解决因法拉第调制器调制幅度及入射光光强波动引起光偏振微小转角的测量误差问题，实现原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中对光偏振微小转角的精密测量。

本发明的技术解决方案是：一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，其特征在于：利用数字锁相放大器模块对待解调信号中的一次谐波和二次谐波信号并行进行测量，同时结合法拉第调制器输入端分光棱镜另一侧的光强信号，通过简单解算可实现对法拉第调制器调制幅度及入射光光强变化的实时监测，进而可将一次谐波信号中与法拉第调制器调制幅度和入射光光强有关的参数消除，最终得到不受调制幅度和光强波动影响的光偏振微小转角，具体步骤如下：

（1）用偏振分光棱镜或消偏振分光棱镜等具有稳定分光功能的光学器件将一束激光分成两束，其中，第一光束直接进入第一光电探测器，另外一束光经过调整变为线偏振态的第二光束后进入第二光电探测器，根据测量得到的两束光的光强，经过线性拟合得到第一光束和第二光束光强之间确定的比例关系，即：I₂＝kI₁+b，其中，k为比例因子，b常值偏值；

（2）去除第二光电探测器，使第二光束进入法拉第调制器，经过调制后的线偏振光在经过旋光介质后会叠加一个待测微小转角θ，之后经与第二光束偏振面正交的检偏器射出，最终进入第三光电探测器，转化为待解调法拉第调制信号；

（3）第一光电探测器保持对第一光束光强的实时测量，记做I₁，同时，利用锁相放大器模块对待解调法拉第信号中的一次谐波信号和二次谐波信号并行进行提取；

（4）利用步骤（1）中拟合得到第一光束和第二光束光强之间的比例关系、步骤（3）中第一光电探测器测量得到的第一光束的光强I₁及锁相放大器模块提取到的二次谐波信号消除一次谐波信号2I₂αθ中与调制幅度及入射光光强有关的参数，求得不含调制幅度及光强信号的待测微小转角θ，具体步骤如下：

a．利用步骤（1）拟合得到的公式、第一光电探测器测得的第一光束的光强信号I₁，计算法拉第调制器入射光的光强I₂，即：I₂＝kI₁+b，实现了对法拉第调制器入射光光强的实时监测；

b．利用法拉第调制器入射光的光强信号I₂及锁相放大器模块提取的二次谐波信号计算α及I₂α，实现了对法拉第调制器调制幅度的实时监测；

c．利用法拉第调制器入射光的光强信号I₂和法拉第调制器的调制幅度α或者直接利用I₂α将一次谐波信号2I₂αθ中与调制幅度和入射光光强有关的参量消除，求得与调制幅度与入射光光强无关的入射线偏振光偏振面的微小转角θ。

本发明的原理是：首先，用分光棱镜将一束激光分成两束，其中，第一光束直接进入第一光电探测器，另外一束光经过调整变为线偏振态的第二光束后进入第二光电探测器，利用第一光电探测器、第二光电探测器测量得到光强进行，通过线性拟合确定第一光束、第二光束光强之间确定的比例关系；其次，去除第二光电探测器，使第二光束进入法拉第调制器，对微小转角进行测量，同时利用第一光电探测器对第一光束的光强进行实时测量；最后，根据第一光束和第二光束光强之间确定的比例关系，利用第一光束的光强信号、锁相放大器模块提取的待解调信号中的二次谐波信号，可以实现对法拉第调制器调制幅度及入射光光强的实时监测，进而可以将一次谐波信号中与调制幅度和光强信号有关的参量消除，最终得到与法拉第调制器调制幅度和入射光光强信号无关的光偏振微小转角。

本发明与现有技术相比的优点在于：克服现有法拉第调制器检测精度易受调制幅度及入射光光强波动影响的不足，提出一种基于待解调信号中一次谐波和二次谐波信号的综合数据处理方法，实现对法拉第调制器调制幅度及入射光光强的实时监测，进而可以获得不受法拉第调制器调制幅度及其入射光光强变化无关的光偏振微小转角，解决了法拉第调制器因磁光晶体维尔德常数及入射光光强波动引起光偏振微小转角测量误差的问题，可以实现原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中对光偏振微小转角的长时间、高稳定精密测量。

附图说明

图1为本发明的一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

1、确定第一光束、第二光束光强之间的比例关系，步骤如下：

（1）用偏振分光棱镜或消偏振分光棱镜等具有稳定分光功能的光学器件将一束激光分成两束，其中，第一光束直接进入第一光电探测器，另外一束光经过调整变为线偏振态的第二光束后进入第二光电探测器；

（2）利用第一光电探测器、第二光电探测器同时对第一光束、第二光束的光强进行测量，光强信号分别记为I₁、I₂；

（3）对I₁、I₂进行线性拟合，得到第一光束、第二光束光强之间的比例关系，即：I₂＝kI₁+b，其中，k为比例因子，b常值偏值；

2、去除光电探测器2，使第二光束进入法拉第调制器对光偏振微小转角进行检测，经过调制后的线偏振光束在经过旋光介质后会叠加一个待测微小转角，记为θ，之后经过与第二光束偏振面正交的检偏器出射，最终进入第三光电探测器，转化为待解调法拉第调制信号，即：

$I_2{\sin }^2(\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

$\≈I_2{(\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})}^2---\left(1\right)$

$=I_2((\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\θ}}^2)+2\mathrm{\α\θ}\sin \mathrm{\ωt}-\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}^2\cos 2\mathrm{\ωt})$

其中，θ为待测微小转角，α为法拉第调制器的调制幅度，ω为法拉第调制器的调制角频率，I₂为法拉第调制器的入射光强，法拉第调制器的调制幅度α及待检测微小转角θ都应远小于1，以保证待解调法拉第调制信号能够线性化；

3、第一光电探测器保持对第一光束光强的实时测量，即：I₁，锁相放大器模块用于提取待解调法拉第调制信号中的一次谐波与二次谐波信号，对应提取到的一次谐波与二次谐波信号分别为2I₂αθ和

4、利用步骤1中拟合得到的第一光束和第二光束光强之间的比例关系、步骤3中第一光电探测器测量得到的第一光束的光强信号I₁及锁相放大器模块提取到的二次谐波信号实现对法拉第调制器入射光光强及其调制幅度的实时监测，进而可消除一次谐波信号2I₂αθ中与调制幅度及入射光光强有关的参数，求得不受法拉第调制器调制幅度及入射光光强信号波动影响的待测微小转角θ，具体步骤如下：

A.利用步骤1拟合得到的第一光束和第二光束光强之间的比例关系及步骤3中第一光电探测器测得的第一光束光强的实时信号I₁计算法拉第调制器入射光的光强信号I₂，即：

I₂＝kI₁+b                (2)

实现了对法拉第调制器入射光光强的实时监测；

B.利用A中求得的法拉第调制器入射光的光强信号I₂及步骤3中锁相放大器模块提取到的二次谐波信号计算法拉第调制器的调制幅度α及其与入射光光强的乘积I₂α，即：

$\mathrm{\α}=\sqrt{2*\frac{1}{2}{I}_2{\mathrm{\α}}^2/I_2}---\left(3\right)$

$I_2\mathrm{\α}=\sqrt{2*\frac{1}{2}{I}_2{\mathrm{\α}}^2*I_2}---\left(4\right)$

实现了对法拉第调制器调制幅度的实时监测；

C.利用A中求得的法拉第调制器入射光的光强信号I₂和B中求得的法拉第调制器的调制幅度α或者直接利用B中求得的I₂α，将步骤3中锁相放大器模块提取的一次谐波信号2I₂αθ中与法拉第调制器调制幅度和入射光光强有关的参量消除，即：

θ＝2I₂αθ/(2*I₂*α)               (5)

或，

θ＝2I₂αθ/(2*I₂α)                 (6)

求得不受法拉第调制器调制幅度α和入射光光强I₂波动影响的光偏振微小转角θ。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）用具有分光功能的光学器件将一束激光分成两束，其中，第一光束直接进入第一光电探测器，光强信号记为I₁，另外一束光通过调整变为线偏振态的第二光束后进入第二光电探测器，光强信号记为I₂，对I₁、I₂进行线性拟合，确定第一光束、第二光束光强之间的比例关系，即：I₂＝kI₁+b，其中，k为比例因子，b常值偏值；

（2）将第二光电探测器移开，使第二光束进入法拉第调制器对光偏振微小转角进行检测，经过调制后的线偏振光束在经过旋光介质后会叠加一个待测微小转角，记为θ，之后经过与第二光束偏振面正交的检偏器出射，最终进入第三光电探测器，转化为待解调法拉第调制信号；其中，第一光电探测器保持对第一光束光强的实时监测，锁相放大器模块用于对待解调法拉第信号中的一次谐波信号和二次谐波信号并行进行提取，即：

$\begin{array}{c}{I}_2{\sin }^2(\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\\ \≈I_2{(\mathrm{\α}\sin \mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})}^2\\ =I_2((\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\θ}}^2)+2\mathrm{\α\θ}\sin \mathrm{\ωt}-\frac{1}{2}{\mathrm{\α}}^2\cos 2\mathrm{\ωt})\end{array}$

其中，θ为待测偏角，α为法拉第调制器的调制幅度，ω为法拉第调制器的调制频率，I₂为法拉第调制器的入射光强，法拉第调制器的调制幅度α及待检测微小转角θ都应远小于1，以保证待解调法拉第调制信号能够线性化，锁相放大器模块对应提取到的一次谐波与二次谐波信号分别为2I₂αθ和 $\frac{1}{2}{I}_2{\mathrm{\α}}^2;$

（3）利用步骤（1）中第一光束、第二光束光强之间的比例关系以及步骤（2）中第一光束的实时光强信号，计算第二光束的实时光强信号I₂，即：I₂＝kI₁+b，实现了对法拉第调制器入射光光强I₂的实时监测；

（4）利用步骤（3）中得到的法拉第调制器入射光的光强信号I₂与步骤（2）中提取到的二次谐波信号求得法拉第调制器的调制幅度α及其与入射光光强的乘积I₂α，实现了对法拉第调制器调制幅度α的实时监测；

（5）利用步骤（4）中得到的法拉第调制器调制幅度α与入射光光强的乘积信号I₂α，将I₂、α从一次谐波信号2I₂αθ中消除，求得与调制幅度与入射光光强无关的微小转角θ，

求微小转角θ的具体步骤如下：

A.利用步骤1拟合得到的第一光束和第二光束光强之间的比例关系及步骤3中第一光电探测器测得的第一光束光强的实时信号I₁计算法拉第调制器入射光的光强信号I₂，即：

I₂＝kI₁+b

实现了对法拉第调制器入射光光强的实时监测；

B.利用A中求得的法拉第调制器入射光的光强信号I₂及步骤3中锁相放大器模块提取到的二次谐波信号计算法拉第调制器的调制幅度α及其与入射光光强的乘积I₂α，即：

$\mathrm{\α}=\sqrt{2*\frac{1}{2}{I}_2{\mathrm{\α}}^2/I_2}$

$I_2\mathrm{\α}=\sqrt{2*\frac{1}{2}{I}_2{\mathrm{\α}}^2*I_2}$

实现了对法拉第调制器调制幅度的实时监测；

C.利用A中求得的法拉第调制器入射光的光强信号I₂和B中求得的法拉第调制器的调制幅度α或者直接利用B中求得的I₂α，将步骤3中锁相放大器模块提取的一次谐波信号2I₂αθ中与法拉第调制器调制幅度和入射光光强有关的参量消除，即：

θ＝2I₂αθ/(2*I₂*α)

或，

θ＝2I₂αθ/(2*I₂α)

求得不受法拉第调制器调制幅度α和入射光光强I₂波动影响的光偏振微小转角θ。

2.根据权利要求1所述的一种消除调制幅度和光强波动影响的法拉第检测方法，其特征在于：所述的用于分光的光学器件采用包括偏振分光棱镜或消偏振分光棱镜等具有稳定分光功能的光学器件。