CN106385283B - 一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统及方法 - Google Patents
一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统及方法，通过信号处理器产生正弦波或方波电压信号作用于调制器，对抽运光光强、波长进行调制使碱金属原子电子极化率被调制，再采用数字锁相放大器对检测光中的一次谐波待解调信号进行提取，最终实现原子自旋进动信号的测量。本发明显著提高了系统的抗环境干扰能力，减小在测量原子自旋进动角度过程中因外界温度不稳定导致的测量误差，从而可提高系统的长时间稳定性，可用于原子自旋陀螺仪、原子自旋磁强计等仪器对光偏振转角的精密测量，同时还有利于原子自旋陀螺仪的小型化。
Description
技术领域
本发明属于涉及原子自旋陀螺调制解调信号方法技术领域，具体涉及一种适合于SERF原子自旋陀螺的原子自旋进动检测抽运光调制解调系统及方法。
背景技术
原子自旋进动信号是低频微弱信号，对信号物理量的调制解调可以减小噪声影响。目前针对SERF原子自旋陀螺的原子进动的调制解调检测方法，主要包括两种：光弹调制解调方法、法拉第调制解调方法。
光弹调制解调方法主要应用了PEM光弹调制器对检测光进行相位调制，通过电压驱动的压电材料在各向同性的光弹晶体材料上施加周期性机械力，使光弹晶体材料产生共振从而产生周期性变化的双折射，光通过后其相位延迟量被调制。光弹晶体材料消光比较低，造成检测灵敏度降低，并且光路比较复杂，不利于系统小型化。
法拉第调制解调方法主要应用了法拉第调制器对检测光进行偏振方向调制，入射光经过法拉第调制器后，由于法拉第效应线偏振面偏转一定角度，然后与原子自旋进动发生相互作用。该方法受光强、法拉第晶体本身特性的影响，导致SERF原子自旋陀螺的标度因数不稳定和其他偏置误差，并且不利于系统的小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统及方法，直接对原子极化率进行调制，显著提高了系统的抗环境干扰能力，从而提高了系统的长时间稳定性，并有利于系统小型化。
本发明的技术解决方案是：
一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统，由磁屏蔽层(20)、烤箱(19)、碱金属气室(18)、锁相放大器(16)和信号处理器(17)组成。用信号处理器(17)生成一定频率的正弦波电压信号或方波电压信号作用于第一调制器(2)，对抽运光光强或波长进行调制。抽运光由抽运光激光器(1)发出，依次通过第一调制器(2)、第一1/2波片(3)、第一偏振分光棱镜(4)，而后分为两束光，第一束光依次经过第一起偏器(6)、第二1/2波片(7)、1/4波片(8)、碱金属气室(18)、第二光电探测器(9)，第二束光经过第一光电探测器(5)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(17)用于光强或波长的测量及反馈控制，信号处理器(17)产生控制信号作用于第一调制器(2)上，用于光强或波长的调制。检测光由检测光激光器(10)发出，依次通过第二调制器(11)、第三1/2波片(12)、第二起偏器(13)、碱金属气室(18)、检偏器(14)、第三光电探测器(15)，最后经过锁相放大器(16)解调，信号输送到信号处理器(17)。其中抽运光和检测光传播方向相互垂直。
原子自旋进动检测的抽运光调制解调包括以下步骤：
(1)用信号处理器(17)生成一定频率的正弦波电压信号或方波电压信号作用于第一调制器(2)，对抽运光光强或波长进行调制。
(2)为了使步骤(1)中的抽运光调制稳定，需对抽运光光强或波长信号进行PID闭环控制，用第二光电探测器(9)探测抽运光光路中第一偏振分光棱镜4分出的第一束光光强信号转换为电流信号作为反馈量，或者用第一光电探测器(5)探测抽运光光路中第一偏振分光棱镜4分出的第二束光光强信号转换为电流信号作为反馈量，经过信号处理器(17)中的PID控制器稳定在均值处，作用在第一调制器(2)上，对抽运光进行补偿与实时控制。
(3)经第三光电探测器(15)探测由检测光激光器(10)发出的检测光光强信号转换为电压信号后，通过锁相放大器(16)解调出检测光的一次谐波信号幅度，得到光偏振转角。
原子自旋进动系统的输出电子横向极化率在未经抽运光调制时表示为：
其中，电子纵向极化率：
其中Rp为抽运激光的光抽运率，Rrex为弛豫率，A为与载体转动角速率或磁场强度相关的信号，γe为碱金属电子的旋磁比。
抽运激光的光抽运率：
其中，P为抽运光光强，h为普朗克常量，re为电子半径，Γ为原子的谱线线宽，C为抽运光的光斑面积，λ为抽运激光波长，υp为抽运激光平均频率，υo为原子跃迁频率。一般应将抽运光的频率υp调节为原子的跃迁频率υo。用正弦电压信号或方波电压信号调制抽运光光强P、波长λ都可以使抽运激光的光抽运率Rp得到调制。
经过抽运光光强或波长调制后的输出电子横向极化率：
其中，ω为抽运光被调制频率，a为调制幅度，一次谐波信号为：
对于抽运光调制的一次谐波信号检测光等效的偏振面转角：
通过锁相放大器(16)进行信号解调，提取检测光路中第三光电探测器(15)输出信号中频率为ω的幅值，即对一次谐波信号幅度进行提取：
U1＝K·B·A
其中B为与Rp、Rrex、γe和a有关的固定系数，Rp为抽运激光的光抽运率，Rrex为弛豫率，ω为抽运光被调制频率，A为与载体转动角速率或磁场强度相关的信号，θ反映光偏振转角，K为抽运光调制的一次谐波信号与检测光偏振转角θ之间的转换系数，U1为锁相放大器(16)解调电压。通过锁相放大器(16)对一次谐波信号幅度的提取，可以得到偏振转角。
本发明技术方案的有益效果在于：与现有的原子陀螺调制解调技术相比，本发明可以减小环境温度等背景噪声对检测结果的影响，从而使最终解调出的光偏振转角信号受温度波动的影响小，提高了原子自旋陀螺的精度和稳定性。并且本技术检测光路不需使用PEM光弹调制器或法拉第调制器，有利于系统的小型化。
附图说明
图1为本发明的一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调方法原理示意图。
图中：1——抽运光激光器，2——第一调制器，3——第一1/2波片，4——第一偏振分光棱镜，5——第一光电探测器，6——第一起偏器，7——第二1/2波片，8——1/4波片，9——第二光电探测器，10——检测光激光器，11——第二调制器，12——第三1/2波片，13——第二起偏器，14——检偏器，15——第三光电探测器，16——锁相放大器，17——信号处理器，18——碱金属气室，19——烤箱，20——磁屏蔽层。
具体实施方式
如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：
(1)解调系统主要由磁屏蔽层20、烤箱19、碱金属气室18、锁相放大器16、信号处理器17组成。抽运光由抽运光激光器1发出，依次通过第一调制器2、第一1/2波片3、第一偏振分光棱镜4，而后分为两束光，一束光依次经过第一起偏器6、第二1/2波片7、1/4波片8、碱金属气室18、第二光电探测器9，另一束光经过第一光电探测器5，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器17用于光强或波长的测量及反馈控制，信号处理器17产生控制信号作用于第一调制器2上；检测光由检测光激光器10发出，依次通过第二调制器11、第三1/2波片12、第二起偏器13、碱金属气室18、检偏器14、第三光电探测器15，光信号被转换成电流信号，最后经过锁相放大器16解调，信号输送到信号处理器17进行显示。其中抽运光和检测光传播方向相互垂直。
(2)以正弦波调制解调为例，第一调制器2选用噪声衰减器。用信号处理器17生成一定频率的正弦波电压信号作用于噪声衰减器，对抽运光光强进行调制。
(3)为了使步骤(1)中的抽运光调制稳定，需对抽运光光强或波长信号进行PID闭环控制，用第一光电探测器5探测抽运光光路中第一偏振分光棱镜4分出的第二束光光强信号作为反馈量，经过信号处理器17中的PID控制器稳定在均值处，作用在第一调制器2上，对抽运光进行实时控制。
(4)通过检测线偏振检测光通过碱金属气室18后光旋角的变化，得到原子极化率的变化，经第三光电探测器15将探测到的由检测光激光器(10)发出的检测光光强信号转换为电压信号，通过锁相放大器16解调出检测光的一次谐波信号幅度，可得到光偏振转角。
原子自旋进动系统的输出电子横向极化率在未经抽运光调制时表示为：
其中，电子纵向极化率：
其中Rp为抽运激光的光抽运率，Rrex为弛豫率，A为与载体转动角速率或磁场强度相关的信号，γe为碱金属电子的旋磁比。
抽运激光的光抽运率：
其中，P为抽运光光强，h为普朗克常量，re为电子半径，Γ为原子的谱线线宽，C为抽运光的光斑面积，λ为抽运激光波长，υp为抽运激光平均频率，υo为原子跃迁频率。一般应将抽运光的频率υp调节为原子的跃迁频率υo。用正弦电压信号或方波电压信号调制抽运光光强P、波长λ都可以使抽运激光的光抽运率Rp得到调制。
经过抽运光光强或波长调制后的输出电子横向极化率：
其中，ω为抽运光被调制频率，a为调制幅度，一次谐波信号为：
对于抽运光调制的一次谐波信号检测光等效的偏振面转角：
通过锁相放大器16进行信号解调，提取检测光路中第三光电探测器15输出信号中频率为ω的幅值，即对一次谐波信号幅度进行提取：
U1＝K·B·A
其中B为与Rp、Rrex、γe和a有关的固定系数，取值范围为10-10到10-4，Rp为抽运激光的光抽运率，Rrex为弛豫率，ω为抽运光被调制频率，A为与载体转动角速率或磁场强度相关的信号，θ反映光偏振转角，K为抽运光调制的一次谐波信号与检测光偏振转角θ之间的转换系数，取值范围为10-2到102，U1为锁相放大器16解调电压。通过锁相放大器16对一次谐波信号幅度的提取，可以得到光偏振转角。
总之，本发明显著提高了系统的抗环境干扰能力，减小在测量原子自旋进动角度过程中因外界温度不稳定导致的测量误差，从而提高了系统的长时间稳定性，可用于原子自旋陀螺仪、原子自旋磁强计等仪器对光偏振转角的精密测量，同时还有利于原子自旋陀螺仪的小型化。
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：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，进行的任何替换和改进都是允许的，也在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统，其特征在于：包括磁屏蔽层(20)、烤箱(19)、碱金属气室(18)、锁相放大器(16)和信号处理器(17)；用信号处理器(17)生成一定频率的正弦波电压信号或方波电压信号作用于第一调制器(2)，对抽运光光强或波长进行调制；抽运光由抽运光激光器(1)发出，依次通过第一调制器(2)、第一1/2波片(3)、第一偏振分光棱镜(4)，而后分为两束光，第一束光依次经过第一起偏器(6)、第二1/2波片(7)、1/4波片(8)、碱金属气室(18)、第二光电探测器(9)；第二束光经过第一光电探测器(5)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(17)用于光强或波长的测量及反馈控制，信号处理器(17)产生控制信号作用于第一调制器(2)上，用于光强或波长的调制；检测光由检测光激光器(10)发出，依次通过第二调制器(11)、第三1/2波片(12)、第二起偏器(13)、碱金属气室(18)、检偏器(14)、第三光电探测器(15)，最后经过锁相放大器(16)解调，信号输送到信号处理器(17)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统，其特征在于：所述抽运光光路中的第一调制器(2)选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器，用于激光光强调制，第一调制器(2)也能够选用声光调制器，实现激光波长的调制。
3.根据权利要求1所述的一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调系统，其特征在于：所述抽运光和检测光传播方向相互垂直。
4.一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)用信号处理器(17)生成一定频率的正弦波电压信号或方波电压信号作用于第一调制器(2)，对抽运光光强或波长进行调制；
(2)为了使步骤(1)中的抽运光调制稳定，需对抽运光光强或波长信号进行PID闭环控制，用第二光电探测器(9)探测抽运光光路中第一偏振分光棱镜4分出的第一束光光强信号转换为电流信号作为反馈量，或者用第一光电探测器(5)探测抽运光光路中第一偏振分光棱镜4分出的第二束光光强信号转换为电流信号作为反馈量，经过信号处理器(17)中的PID控制器稳定在均值处，作用在第一调制器(2)上，对抽运光光强或波长进行实时控制；
(3)经第三光电探测器(15)探测由检测光激光器(10)发出的检测光光强信号转换为电压信号后，通过锁相放大器(16)解调出检测光的一次谐波信号幅度，得到检测光的光偏振转角。
5.根据权利要求4所述的一种应用于原子自旋进动检测的抽运光调制解调方法，其特征在于：通过锁相放大器(16)解调出检测光的一次谐波信号幅度，得到光偏振转角，即：
原子自旋进动系统的输出电子横向极化率在未经抽运光调制时表示为：
其中，电子纵向极化率：
经过抽运光光强或波长调制后的输出电子横向极化率：
其中，一次谐波信号为：
其中Rp为抽运激光的光抽运率，Rrex为弛豫率，ω为抽运光被调制频率，A为与载体转动角速率或磁场强度相关的信号，a为调制幅度，γe为碱金属电子的旋磁比，B为与Rp、Rrex、γe和a有关的固定系数；
对于抽运光调制的一次谐波信号检测光等效的偏振面转角：
通过锁相放大器(16)进行信号解调，提取检测光路中第三光电探测器(15)输出信号中频率为ω的幅值，即对一次谐波信号幅度进行提取：
U1＝K·B·A
其中θ反映光偏振转角，K为抽运光调制的一次谐波信号与检测光偏振转角θ之间的转换系数，U1为锁相放大器(16)解调电压。
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