CN106371230A - 一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统及控制方法，包括激光光强稳定模块、检测光学模块和闭环控制模块三部分。激光光强稳定模块由激光器、可控相位延迟器、起偏器、偏振分束器、第一光电探测器、光强控制器组成，将主路激光稳定在设定值；检测光学模块由待测样品、四分之一波片、光弹调制器、检偏器、第二光电探测器组成，实现主路激光光电信号的转换；闭环控制模块由锁相放大器、信号处理器、光弹调制器驱动电路组成，解调出二次谐波信号反馈控制光弹调制器的调制幅度。本发明可有效抑制光弹调制器随环境因素变化引起的调制幅度波动，从而提高检测系统的长期稳定性。

Description

一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统及控 制方法

技术领域

本发明涉及一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统及控制方法，对光弹调制器的调制幅度进行实时闭环控制，保证调制幅度的长期稳定，可广泛应用于原子磁强计、原子陀螺仪等使用光弹调制器测量线偏振光偏振方向微小转角的精密测量系统。

背景技术

光弹调制器(photoelastic modulator)是一种利用透明光学材料的光弹效应制成的谐振式相位调制器件。光弹效应是指各向同性的透明光学材料受机械外力作用而产生的外致双折射现象。光弹调制器具有通光孔径大、使用波段宽、调制频率高、高损伤阈值、无机械振动等优点，广泛应用于高精度的偏振光相位调制系统。

目前应用最广的光弹调制器是由Kemp在20世纪60年代发明的匹配谐振式光弹调制器。它主要由各向同性的光学晶体、压电驱动器和驱动电路三部分构成。压电驱动器和光学晶体经过相应的尺寸匹配和切型选择，使二者具有尽可能相同的谐振频率和通频带，以获得较高的能量传递效率。驱动电路对压电驱动器施加交流电压，使其产生周期性机械振动，带动光学晶体进行受迫振动并产生共振，形成机械驻波，使光学晶体产生周期性双折射，进而使出射光的相位延迟量产生周期性变化，实现对出射光偏振态的调制。驱动电路需实现两个基本功能：跟踪光弹调制器的谐振频率和稳定光弹调制器的电流幅度，即调制幅度。前者通常采用锁相环电路实现，后者通常通过电流取样，然后采用模拟PID运算电路实现。然而，光弹调制器的光学晶体、压电驱动器和驱动电路都会随环境因素变化，如环境温度等，导致调制幅度长时间存在漂移，从而降低使用光弹调制器的精密测量系统的精度和长期稳定性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统及控制方法，解决目前光弹调制器随环境因素变化而引起调制幅度存在漂移的问题，提高光弹调制器调制幅度的长期稳定性，从而提高使用光弹调制器的精密测量系统的精度和长期稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，包括激光光强稳定模块、检测光学模块和闭环控制模块三部分。激光光强稳定模块由激光器、可控相位延迟器、起偏器、偏振分束器、第一光电探测器、光强控制器组成；检测光学模块由待测样品、四分之一波片、光弹调制器、检偏器、第二光电探测器组成；闭环控制模块由锁相放大器、信号处理器、光弹调制器驱动电路组成；上述元器件的位置关系和主要作用如下：

激光器发出的线偏振光经过可控相位延迟器和起偏器后，由偏振分束器分成两束，其中设定偏振分束器反射的激光为旁路激光，透过偏振分束器的激光为主路激光；旁路激光由第一光电探测器转化成电信号，光强控制器对电信号进行处理，输出控制信号控制可控相位延迟器，使主路激光光强稳定在设定值；主路激光经过待测样品，引起其偏振方向发生旋转，然后依次通过四分之一波片、光弹调制器、检偏器，入射到第二光电探测器转换成电信号输出；其中四分之一波片的快轴方向与偏振分束器的透射光偏振方向相同，光弹调制器的快轴方向与偏振分束器的透射光偏振方向夹角为45°，检偏器的光轴方向与偏振分束器的透射光偏振方向夹角为90°；锁相放大器对输出信号进行放大、解调出二次谐波信号，信号处理器对二次谐波信号进行实时处理，并输出控制信号，光弹调制器驱动电路作为闭环控制的执行机构，根据信号处理器输出控制信号设定的跟踪调制幅度，实时控制光弹调制器的实际调制幅度保持稳定。

其中可控相位延迟器是由带有二分之一波片的转动镜架组件、液晶可变延迟器或者其他具有相位延迟功能的器件构成。

其中偏振分束器是偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、格兰-泰勒棱镜或者其他具有偏振分光功能的光学器件。

其中待测样品是能够引起线偏振光偏振方向发生旋转的媒介。

其中主路激光通过待测样品的方式为透射或者在样品表面反射的方式。

其中光弹调制器驱动电路既能够自动跟踪光弹调制器的谐振频率，又存在输入接口，接收信号处理器输出的控制信号，实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，控制光弹调制器的调制幅度保持长期稳定。

一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统的控制方法为：

a、激光光强稳定模块将透过偏振分束器的主路激光光强稳定在设定值I₀；

b、主路激光经过待测样品，引起其偏振方向发生旋转，然后依次通过四分之一波片、光弹调制器、检偏器，入射到第二光电探测器转换成电信号输出；

c、锁相放大器参考光弹调制器驱动电路的谐振频率f，对输出信号进行放大、解调出二次谐波信号的幅度为：

$V_{2f}=\frac{K\·I_0\·{\mathrm{\δ}}^2}{8}$

其中K是第二光电探测器的光电转化效率和锁相放大器的放大倍数所构成的总转化系数，I₀为激光光强设定值，δ为光弹调制器的调制幅度；

d、信号处理器对激光光强设定值I₀和二次谐波信号幅度V_2f进行实时处理，实时解算出调制幅度：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{8V_{2f}}{K\·I_0}}$

通过与参考调制幅度比较，信号处理器按照控制算法输出控制信号，控制光弹调制器驱动电路的跟踪调制幅度；

e、光弹调制器驱动电路一方面实时锁定光弹调制器的谐振频率f，另一方面实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，控制光弹调制器的实际调制幅度保持长期稳定。

其中信号处理器中使用的控制算法为PID控制、自适应控制、鲁棒控制或者其他闭环控制算法。

本发明的原理是：在使用光弹调制器进行线偏振光偏振方向微小转角测量的精密测量系统中，输出的二次谐波信号只与主路激光光强和调制幅度有关，在主路光强已知的情况下，可以实时解算出光弹调制器的实际调制幅度，经过与参考调制幅度比较后，按照闭环控制算法，动态调整光弹调制器的跟踪调制幅度，控制光弹调制器的实际调制幅度保持长期稳定，从而提高使用光弹调制器进行线偏振光偏振方向微小转角测量的精度和稳定性。

本发明与现有技术相比的优点在于：在现有单纯依靠驱动电路稳定光弹调制器调制幅度的基础上，结合基于光弹调制器测量线偏振光微小转角的精密测量系统输出的二次谐波信号，增加一条基于精密光电测量系统的调制幅度闭环控制回路，按照闭环控制算法，控制调制幅度实现长期稳定。本发明克服了光弹调制器随环境因素如环境温度等的变化，导致调制幅度长时间存在漂移的问题，可有效提高基于光弹调制器的精密测量系统的精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，包括激光光强稳定模块、检测光学模块和闭环控制模块三部分。激光光强稳定模块由激光器1、可控相位延迟器2、起偏器3、偏振分束器4、第一光电探测器5、光强控制器6组成；检测光学模块由待测样品7、四分之一波片8、光弹调制器9、检偏器10、第二光电探测器11组成；闭环控制模块由锁相放大器12、信号处理器13、光弹调制器驱动电路14组成；上述元器件的位置关系和主要作用如下：

激光器1发出的线偏振光经过可控相位延迟器2和起偏器3后，由偏振分束器4分成两束，其中设定偏振分束器4反射的激光为旁路激光，透过偏振分束器4的激光为主路激光；旁路激光由第一光电探测器5转化成电信号，光强控制器6对电信号进行处理，输出控制信号控制可控相位延迟器2，使主路激光光强稳定在设定值；主路激光经过待测样品7，引起其偏振方向发生旋转，然后依次通过四分之一波片8、光弹调制器9、检偏器10，入射到第二光电探测器11转换成电信号输出；其中四分之一波片8的快轴方向与偏振分束器4的透射光偏振方向相同，光弹调制器9的快轴方向与偏振分束器4的透射光偏振方向夹角为45°，检偏器10的光轴方向与偏振分束器4的透射光偏振方向夹角为90°；锁相放大器12对输出信号进行放大、解调出二次谐波信号，信号处理器13对二次谐波信号进行实时处理，并输出控制信号，光弹调制器驱动电路14作为闭环控制的执行机构，根据信号处理器13输出控制信号设定的跟踪调制幅度，实时控制光弹调制器的实际调制幅度保持稳定。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，可控相位延迟器2是由带有二分之一波片的转动镜架组件、液晶可变延迟器或者其他具有相位延迟功能的器件构成。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，偏振分束器4是偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、格兰-泰勒棱镜或者其他具有偏振分光功能的光学器件。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，待测样品7是能够引起线偏振光偏振方向发生旋转的媒介。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，主路激光通过待测样品7的方式为透射或者在样品表面反射的方式。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，光弹调制器驱动电路14既能够自动跟踪光弹调制器的谐振频率，又存在输入接口，接收信号处理器13输出的控制信号，实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，控制光弹调制器调制幅度保持长期稳定。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统的主要控制流程为：

a、激光光强稳定模块将透过偏振分束器4的主路激光光强稳定在设定值I₀；

采用琼斯矩阵来推导系统输出的二次谐波信号，设透过偏振分束器4的主路线偏振激光的偏振方向沿x轴方向，设A为主路激光振幅，则设定光强I₀＝A²，主路激光的振动矢量为：

$E_1=A\left[\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right]$

b、主路激光经过待测样品7，引起其偏振方向发生旋转，待测样品7可采用二分之一波片的琼斯矩阵表示，设光旋角为θ，则其琼斯矩阵为：

$G_s=\left(\begin{array}{cc}cos\mathrm{\θ}& sin\mathrm{\θ}\\ sin\mathrm{\θ}& -cos\mathrm{\θ}\end{array}\right)$

四分之一波片8的快轴沿x轴方向，其琼斯矩阵为：

$G_{\mathrm{\λ}/4}=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right)$

其中i为虚数单位；

光弹调制器9的琼斯矩阵可以根据四分之一波片的琼斯矩阵表示，其快轴与x轴方向成45°，则其琼斯矩阵为：

$G_{pem}=\left(\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}& -i\sin \frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}\\ -i\sin \frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}& \cos \frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}\end{array}\right)$

其中，δ(t)＝δsin(ωt)，δ为光弹调制器的调制幅度，ω为调制角频率，t为时间；

检偏器10的透光轴与x轴成90°，其琼斯矩阵为：

$G_{jp}=\left(\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right)$

则第二光电探测器11探测到的光矢量为：

$E_2=G_{jp}.G_{pem}.G_{\mathrm{\λ}/4}.G_s.E_1=\left[\begin{array}{c}0\\ iAsin(\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}+\mathrm{\θ})\end{array}\right]$

第二光电探测器11探测到的光强为：

$I=I_0{\sin }^2(\frac{\mathrm{\δ}\left(t\right)}{2}+\mathrm{\θ})$

根据倍角公式、和差角公式、贝塞尔公式展开，得到第二光电探测器11的光强二次谐波信号为：

$I_{2f}=I_0(\frac{{\mathrm{\δ}}^2}{8}-\frac{{\mathrm{\δ}}^4}{96}+\frac{{\mathrm{\δ}}^6}{3072}-\frac{{\mathrm{\δ}}^8}{184320}+...)cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)$

c、锁相放大器12参考光弹调制器驱动电路14的谐振频率f，对输出信号进行放大、解调，忽略高阶项，得出二次谐波信号的幅度为：

$V_{2f}=\frac{K\·I_0\·{\mathrm{\δ}}^2}{8}$

其中K是第二光电探测器11的光电转化效率和锁相放大器12的放大倍数所构成的总转化系数，I₀为激光光强设定值，δ为光弹调制器的调制幅度；

d、信号处理器13对激光光强设定值I₀和二次谐波信号的幅度V_2f进行实时处理，实时解算出调制幅度为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{8V_{2f}}{K\·I_0}}$

通过与参考调制幅度比较，信号处理器13按照闭环控制算法输出控制信号，控制光弹调制器驱动电路14的跟踪调制幅度；

e、光弹调制器驱动电路14一方面实时锁定光弹调制器的谐振频率f，另一方面实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，控制光弹调制器实际调制幅度保持长期稳定。

图1所示的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统中，信号处理器13中使用的控制算法为PID控制、自适应控制、鲁棒控制或者其他闭环控制算法。

总之，本发明可有效抑制光弹调制器随环境因素变化引起的调制幅度波动，从而提高了检测系统的长期稳定性。

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 (8)

1.一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：包括激光光强稳定模块、检测光学模块和闭环控制模块；激光光强稳定模块包括激光器(1)、可控相位延迟器(2)、起偏器(3)、偏振分束器(4)、第一光电探测器(5)和光强控制器(6)；检测光学模块包括待测样品(7)、四分之一波片(8)、光弹调制器(9)、检偏器(10)和第二光电探测器(11)；闭环控制模块包括锁相放大器(12)、信号处理器(13)、光弹调制器驱动电路(14)；

激光器(1)发出的线偏振光经过可控相位延迟器(2)和起偏器(3)后，由偏振分束器(4)分成两束，其中设定偏振分束器(4)反射的激光为旁路激光，透过偏振分束器(4)的激光为主路激光；旁路激光由第一光电探测器(5)转化成电信号，光强控制器(6)对电信号进行处理，输出控制信号控制可控相位延迟器(2)，使主路激光光强稳定在设定值；主路激光经过待测样品(7)后引起偏振方向发生旋转，然后依次通过四分之一波片(8)、光弹调制器(9)和检偏器(10)，入射到第二光电探测器(11)转换成电信号输出；其中四分之一波片(8)的快轴方向与偏振分束器(4)的透射光偏振方向相同，光弹调制器(9)的快轴方向与偏振分束器(4)的透射光偏振方向夹角为45°，检偏器(10)的光轴方向与偏振分束器(4)的透射光偏振方向夹角为90°；锁相放大器(12)对输出信号进行放大、解调出二次谐波信号，信号处理器(13)对二次谐波信号进行实时处理，并输出控制信号，光弹调制器驱动电路(14)作为闭环控制的执行机构根据信号处理器(13)输出控制信号设定的跟踪调制幅度，实时控制光弹调制器的实际调制幅度保持稳定。

2.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：所述可控相位延迟器(2)是由带有二分之一波片的转动镜架组件、液晶可变延迟器或者其他具有相位延迟功能的器件构成。

3.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：所述偏振分束器(4)是偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、格兰-泰勒棱镜或者其他具有偏振分光功能的光学器件。

4.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：所述待测样品(7)是能够引起线偏振光偏振方向发生旋转的媒介。

5.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：主路激光通过待测样品(7)的方式为透射或者在样品表面反射的方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制系统，其特征在于：所述光弹调制器驱动电路(14)既能够自动跟踪光弹调制器(9)的谐振频率，又存在输入接口，接收信号处理器(13)输出的控制信号，实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，保证光弹调制器实际调制幅度的长期稳定。

7.一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制方法，其特征在于包括以下步骤：

a、激光光强稳定模块将透过偏振分束器(4)的主路激光光强稳定在设定值I₀；

b、主路激光经过待测样品(7)后引起偏振方向发生旋转，然后依次通过四分之一波片(8)、光弹调制器(9)、检偏器(10)，入射到第二光电探测器(11)转换成电信号输出；

c、锁相放大器(12)参考光弹调制器驱动电路(14)的谐振频率f，对输出信号进行放大、解调出二次谐波信号的幅度为：

$V_{2f}=\frac{K\·I_0\·{\mathrm{\δ}}^2}{8}$

其中K是第二光电探测器(11)的光电转化效率和锁相放大器(12)的放大倍数所构成的总转化系数，I₀为激光光强设定值，δ为光弹调制器的调制幅度；

d、信号处理器(13)对激光光强设定值I₀和二次谐波信号幅度V_2f进行实时处理，实时解算出调制幅度：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{8V_{2f}}{K\·I_0}}$

通过与参考调制幅度比较，信号处理器(13)按照控制算法输出控制信号，控制光弹调制器驱动电路(14)的跟踪调制幅度；

e、光弹调制器驱动电路(14)一方面实时锁定光弹调制器的谐振频率f，另一方面实时跟踪控制信号设定的跟踪调制幅度，控制光弹调制器实际调制幅度保持长期稳定。

8.根据权利要求7所述的一种基于二次谐波的光弹调制器调制幅度闭环控制方法，其特征在于：所述信号处理器(13)采用的控制算法为PID控制、自适应控制、鲁棒控制或者其他闭环控制算法。