CN106017689A - 一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，该检测装置包括了检测激光器、起偏器、碱金属气室、半波片、声光调制器、光阑、偏振分光棱镜、两个光电探测器、锁相放大器和函数发生器。与现有技术相比，本发明通过在差分偏振检测的基础上对检测光信号施加声光调制，发挥了声光调制器体积小、温度效应和应力效应小等优势，具有较高的灵敏度和较好的稳定性，实现了在高噪声背景下检出、放大低频信号，有效地提高系统测量精度和抗干扰能力，可服务于未来超高灵敏原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计的小型化和集成化。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，属于光电检测技术、微弱信号提取技术领域。
背景技术
在无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free,SERF)原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计中，通过光、热、磁的综合操控，能够实现原子自旋的SERF态，在外界角速率或磁场输入下会发生原子自旋的进动。原子自旋携带角速率或磁场信息后，可以通过线偏振光与原子自旋进动的相互作用提取上述信息，从而实现对角速率或磁场的测量。目前，原子自旋进动检测通常采用线偏振光的偏光检测法，包括差分偏振法、法拉第调制法和光弹调制法等。
差分偏振法的输出结果与检测激光的初始光强无关，从而隔离了检测激光光强波动对检测输出的影响，该检测方法具有结构简单、易于实现的优点。然而，由于缺乏调制，低频响应较差。使用法拉第调制器或光弹调制器可以将待测的低频角信号调制成高频信号，具有较高的测角灵敏度。但是法拉第调制法是利用线圈产生可变磁场，输出的调制信号包含了初始光强和调制幅度这些标度因数，不稳定的标度因数将直接影响系统的检测精度，需采用磁屏蔽和温控闭环反馈。光弹调制法受环境温度和应力影响较大，所需机械结构和控制设备复杂。不仅如此，法拉第调制器和光弹调制器的尺寸相较于声光调制器偏大，不利于实现原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计的进一步小型化和集成化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置。通过在差分偏振检测的基础上施加声光调制，在高噪声背景下将低频信号检出、放大，有效地提高系统测量精度和抗干扰能力，具有体积小、温度效应和应力效应小，适用于原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计的小型化和集成化等优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，该检测装置包括：检测激光器、起偏器、碱金属气室、半波片、声光调制器、光阑、偏振分光棱镜、两个光电探测器、锁相放大器和函数发生器，该检测装置工作时，由检测激光器发出的检测光经起偏器转化为线偏振光，进入碱金属气室，接着，检测激光通过半波片发生偏振旋转，在原子自旋信号产生之前，调节半波片使两个光电探测器的输出光强相同，函数发生器产生驱动电压信号，分别输入声光调制器和锁相放大器，检测激光进入声光调制器后，将一级衍射光作为输出，利用光阑将其它光束遮拦，调制光进入偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜的光轴与起偏器的光轴交角为45度，该偏振分光棱镜反射、透射的光强分别被两个光电探测器探测并得到差分信号，锁相放大器对差分信号和作用于声光调制器的驱动信号进行混频和滤波，得到包含光旋角的输出信息。
其中，所述的驱动电压信号为频率在200Hz至1MHz范围内的方波信号。
其中，在偏振差分检测光路前添加声光调制器，通过对进入偏振分光棱镜的检测光信号提前进行声光调制，在高频噪声背景下检出、放大低频信号，有效地提高系统测量精度和抗干扰能力。
其中，所述的声光调制器在该检测装置中起到一个频率可调的高频通断开关的作用。
本发明的原理在于：
一种基于声光调制和差分偏振检测的原子自旋进动检测系统，包括检测激光器、起偏器、碱金属气室、半波片、声光调制器、光阑、偏振分光棱镜、两个光电探测器、锁相放大器和函数发生器，其中：检测激光器产生原始检测激光送至起偏器，转化为线偏振光进入碱金属气室。线偏振光能够分解成左旋圆偏振光与右旋圆偏振光。当线偏振光透过碱金属气室后，由于左右旋圆偏振光在碱金属气室内部的折射率不同，出射的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的相位将发生改变，导致合成的线偏振光的线偏振面相对于入射前具有一个角度的改变，即检测光旋角。接着，检测激光经半波片发生偏振旋转。在产生原子自旋信号之前，调节半波片使两个光电探测器的输出光强相同。函数发生器产生驱动电压信号，分别输入声光调制器和锁相放大器。在驱动信号的作用下，从声光调制器出射的衍射光强度随之发生相应变化。此时声光调制器起到了高频开关的作用，通过快速通断光路将检测信号调制成高频信号。随后，将一级衍射光作为输出，利用光阑将其它光束遮拦。调制光进入偏振分光棱镜，该棱镜的光轴与起偏器的光轴交角为45°，该棱镜反射、透射的光强分别被两个光电探测器探测并得到差分信号。锁相放大器对差分信号和作用于声光调制器的驱动信号进行混频和滤波，得到包含光旋角的输出信息。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1.本发明通过对进入偏振分光棱镜的检测光信号提前进行声光调制，将待测的低频角信号调制成高频信号，实现了在高噪声背景下检出、放大低频信号，有效地提高了系统测量精度和抗干扰能力。
2.在常用的信号调制器中，光弹调制器的体积约为1000立方厘米，法拉第调制器约为2500立方厘米，而声光调制器约为60立方厘米。显然，声光调制器的体积远小于光弹调制器和法拉第调制器，尤其适用于原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计的小型化和集成化。
3.光弹调制器中的压电驱动器和法拉第调制器中的调制线圈容易受到外界环境的影响，外界磁场、温度或应力的变化会引起其调制角度的波动，不稳定的标度因数将直接影响系统的检测精度，从而降低原子自旋陀螺仪和原子自旋磁强计的测量精度。与之相比，声光调制晶体对外界环境的变化不敏感，即对工作环境要求更宽松，有利于提高检测系统的稳定性和信噪比。
附图说明
图1为本发明的光路结构图。
图中附图标记含义为：1-检测激光器，2-起偏器，3-碱金属气室，4-半波片，5-声光调制器，6-光阑，7-偏振分光棱镜，8-光电探测器，9-锁相放大器，10-函数发生器。
具体实施方式
本发明提出一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，通过对进入偏振分光棱镜的检测光信号提前进行声光调制，可以在高噪声背景下检出、放大低频信号。下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明的具体光路结构图。检测系统包括了检测激光器1、起偏器2、碱金属气室3、半波片4、声光调制器5、光阑6、偏振分光棱镜7、两个光电探测器8、锁相放大器9和函数发生器10。工作时，检测激光器1产生原始检测激光送至起偏器2，转化为线偏振光，进入碱金属气室3。线偏振光能够分解成左旋圆偏振光与右旋圆偏振光。当线偏振光透过碱金属气室3后，由左右旋圆偏振光在碱金属气室内部的折射率不同，出射的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的相位将发生改变，导致合成的线偏振光的线偏振面相对于入射前具有一个角度的改变，即检测光旋角。接着，检测激光进入半波片4发生偏振旋转。在产生原子自旋信号之前，调节半波片4使两个光电探测器8的输出光强相同。函数发生器10产生驱动电压信号，分别输入声光调制器5和锁相放大器9。在驱动信号的作用下，从声光调制器5出射的衍射光强度随之发生相应变化。此时声光调制器起到高频开关的作用，通过快速通断光路将检测信号调制成高频信号。随后，将一级衍射光作为输出,利用光阑6将其它光束遮拦。调制光进入偏振分光棱镜7，该棱镜7的光轴与起偏器2的光轴交角为45°，该棱镜7反射、透射的光强分别被两个光电探测器8探测并得到差分信号。锁相放大器9对差分信号和作用于声光调制器5的驱动信号进行混频和滤波，得到包含光旋角的输出信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，其特征在于：该检测装置包括：检测激光器(1)、起偏器(2)、碱金属气室(3)、半波片(4)、声光调制器(5)、光阑(6)、偏振分光棱镜(7)、两个光电探测器(8)、锁相放大器(9)和函数发生器(10)，该检测装置工作时，由检测激光器(1)发出的检测光经起偏器转化为线偏振光，进入碱金属气室(3)，接着，检测激光通过半波片(4)发生偏振旋转，在原子自旋信号产生之前，调节半波片(4)使两个光电探测器(8)的输出光强相同，函数发生器(10)产生驱动电压信号，分别输入声光调制器(5)和锁相放大器(9)，检测激光进入声光调制器(5)后，将一级衍射光作为输出，利用光阑(6)将其它光束遮拦，调制光进入偏振分光棱镜(7)，该偏振分光棱镜(7)的光轴与起偏器(2)的光轴交角为45度，该偏振分光棱镜(7)反射、透射的光强分别被两个光电探测器(8)探测并得到差分信号，锁相放大器(9)对差分信号和作用于声光调制器(5)的驱动信号进行混频和滤波，得到包含光旋角的输出信息。
2.根据权利要求1所述的基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，其特征在于：所述的驱动电压信号为频率在200Hz至1MHz的方波信号。
3.根据权利要求1所述的基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，其特征在于：在偏振差分检测光路前添加声光调制器，通过对进入偏振分光棱镜的检测光信号提前进行声光调制，在高频噪声背景下检出、放大低频信号，有效地提高系统测量精度和抗干扰能力。
4.根据权利要求1所述的基于声光调制的原子自旋进动差分偏振检测装置，其特征在于：所述的声光调制器在该检测装置中起到一个频率可调的高频通断开关的作用。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20171124 Termination date: 20210711 |
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