CN107121195A - 一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置及方法，该装置包括准直扩束的检测激光源(1)、起偏器(2)、光弹调制器(3)、四分之一波片(4)、碱金属气室样品(5)、二分之一波片(6)、沃拉斯顿检偏器(7)、平衡差分光电探测器(8)、光弹控制器、数字锁相放大器、信号加法器和信号采集及处理单元。本发明提供一种高灵敏度、高稳定度的消除检测信号中共模误差的装置及方法，有效结合了光偏振调制检测、光偏振平衡差分检测以及数字锁相放大技术的优势，整个装置简单、结构紧凑、操作方便。

Description

一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置及方法

技术领域

本发明涉及偏振测量技术及微弱信号处理的技术领域，特别是一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置及方法。

背景技术

光抽运碱金属气室的线偏振光旋角检测在超高灵敏惯性测量、超高灵敏磁测量、高精度原子自旋惯性导航等领域具有重要的应用。高精度、高稳定的微弱光旋角信号的检测及提取是整个惯性及磁场测量装置的关键技术。传统的基于偏振分光棱镜的差分检测技术，因输出为直流信号没有调制容易受低频噪声的串扰，但优势在于采用平衡差分技术可以去除信号检测中入射光功率的影响；另一种常用的法拉第调制光旋角检测技术，由于法拉第晶体的磁光系数随温度变化特性以及本身磁噪声限制不适用于超高灵敏的磁场及惯性测量，特别是小体积的集成化装置中。而基于光弹调制的偏振检测技术，相比于法拉第调制检测，温度性能更为稳定且没有线圈的电磁干扰，更适合于超高灵敏的磁测量及惯性测量，但是在光旋角检测中仍然存在光功率的波动影响。因此需要一种高灵敏度、稳定的可消除光功率波动等共模噪声干扰的微弱光旋角检测的装置及方法。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置及方法克服上述现有传统技术的不足。该装置简单、结构紧凑，不仅具有光弹偏振调制检测的灵敏度而且兼容偏振平衡差分检测中消除系统共模误差的优势。数字锁相放大器同时提取两路信号的差分信号，以及两路信号的加和信号，处理运算后得到消除系统入射光功率的共模误差信号。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置，该装置包括准直扩束的检测激光源、起偏器、光弹调制器、四分之一波片、碱金属气室样品、二分之一波片、沃拉斯顿检偏器、平衡差分光电探测器、光弹控制器、数字锁相放大器、信号加法器和信号采集及处理单元，数字锁相放大器为双通道数字锁相放大器，包括第一锁相放大器和第二锁相放大器两个通道，其中：沿所述的准直扩束的检测激光源出射的光束前进方向依次是起偏器、光弹调制器、四分之一波片、待测碱金属气室样品、二分之一波片、沃拉斯顿检偏棱镜和平衡差分光电探测器，所述的光弹控制器通过串口与所述的光弹调制器控制端相连，所述的光弹调制器的第一输出端通过BNC转接头接所述的数字锁相放大器的参考信号输入端，所述的平衡差分光电探测器的正通道“+”及负通道“-”信号输出端分别接所述的信号加法器两路输入端，所述的平衡差分光电探测器的差分通道“RF”信号输出端接所述的数字锁相放大器的信号输入端，经数字锁相放大器解调的二次谐波信号输出端通过BNC转接线接信号采集与处理单元，信号加法器输出的两单通道信号的加和信号通过BNC接入信号采集与处理单元，信号采集与处理单元的数据采集程序用于采集数字锁相放大器输出的信号。

其中，起偏器透光轴沿x轴方向；光弹调制器的振动方向与起偏器呈45度夹角；四分之一波片为单点波长的真零级器件，其快轴与起偏器透振方向同轴；二分之一波片的快轴方向与起偏器透光轴呈45度夹角，沃拉斯顿检偏器的振动轴与起偏器呈45度。

本发明还提供一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测方法，利用上述的基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置，该方法包括以下步骤：

①将待测的碱金属气室样品插入所述的四分之一波片及二分之一波片之间，注意入射光与样品表面垂直且中心通过；

②所述的光弹控制器通过前面板设定光弹调制器的峰值相位延迟量为0.09rad，所述的平衡差分光电探测器分别记录从沃拉斯顿检偏器出射的两路单通道及一路差分的光束光强并转化为电信号，其中正通道“+”及负通道“-”的输出电信号分别接至所述的信号加法器的两路输入端，差分通道电信号输出至所述的数字锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器输出端通过BNC连接线与数字锁相放大器的参考信号输入端相连，数字锁相放大器的输出信号包含一次谐波分量和二次谐波分量，其中数字锁相放大器二次谐波输出信号通过BNC连接线输送至信号采集及处理单元；

③所述的信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的信号加法器输出信号为：

V_Add＝KI_Add＝K(I⁺+I^-)

其中，K为系统参数，I_Add为信号经加法器输出信号两单通道信号之和，I⁺为差分光电探测器正通道“+”输出光强，I^-为差分光电探测器负通道“-”输出光强；

所述的信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的锁相放大器输出信号的二次谐波分量：

V_2f＝I^--I⁺＝2KI₀θJ₂(α_m)

其中，I₀为准直光源经起偏器后的初始光强，θ为经碱金属气室样品的偏振光旋角，α_m是光弹调制器的峰值延迟量，J₂(α_m)是第2阶贝塞尔函数；

将信号加法器得到的两个单通道的加和信号和及锁相放大器获得的V_2f进行下列计算：

得到待测碱金属气室的光旋角信息θ。

本发明的技术效果如下：

(1)采用基于光弹偏振调制的平衡差分检测，既有光弹偏振调制的高检测灵敏度，又能够消除光路中功率波动。纯光学器件，光路结构紧凑。

(2)两路单通道信号以及平衡差分信号分别同步通过数字锁相放大器解调，保证信号处理的实时性及准确性，操作方便。

附图说明

图1为本发明基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置实施结构框图，其中，1为准直扩束检测激光器，2为起偏器，3为光弹调制器，4为四分之一波片，5为碱金属气室样品，6为二分之一波片，7为沃拉斯顿检偏器，8为平衡差分光电探测器；

图2为本发明实施方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置实施结构框图。由图1可见，本发明消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置由准直扩束的检测激光源1、起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、碱金属气室样品5、二分之一波片6、沃拉斯顿检偏器7、平衡差分光电探测器8、光弹控制器、数字锁相放大器、信号加法器和信号采集及处理单元组成，数字锁相放大器为双通道数字锁相放大器，包括第一锁相放大器和第二锁相放大器两个通道，其中：

沿准直扩束的检测激光源1出射的光束前进方向依次是起偏器2、光弹调制器3、四分之一波片4、待测碱金属气室样品5、二分之一波片6、沃拉斯顿检偏棱镜7和平衡差分光电探测器8。光弹控制器通过串口与光弹调制器3的控制端相连，光弹控制器的第一输出端通过BNC转接头接数字锁相放大器的参考信号输入端，平衡差分光电探测器8的正通道“+”及负通道“-”信号输出端分别接信号加法器两路输入端，平衡差分光电探测器8的差分通道“RF”信号输出端连接数字锁相放大器的信号输入端，经锁相放大器解调的二次谐波信号输出端通过BNC转接线接信号采集与处理单元，信号加法器输出的两路信号求和后的信号通过BNC接入信号采集与处理单元，信号采集与处理单元的数据采集程序用于采集数字锁相放大器输出的信号。

起偏器2透光轴沿x轴方向；光弹调制器3的振动方向与起偏器2呈45度夹角；四分之一波片4快轴与起偏器透振方向同轴；二分之一波片6的快轴与起偏器2透光轴呈45度夹角，沃拉斯顿检偏器7的振动轴与起偏器2呈45度，平衡差分光电探测器8由两个性能一致的光电二极管及各自对应的前置放大电路组成，可分别实现单独两通道信号以及两通道差分信号的放大输出。

本发明的最佳实施例的结构图如图1所示，其具体结构如下：准直扩束的检测激光源1为波长795nm的DFB半导体激光器，起偏器2为方解石制成的格兰泰勒偏振棱镜其消光比优于10^-5；光弹调制器3为Hinds Instruments公司研制的共振频率50KHz的PEM100光弹调制器；四分之一波片4为真零级795nm单点波长相位延迟器件；碱金属气室样品5由一定比例K、Rb碱金属原子混合物及一定气压的惰性气体²¹Ne组成；二分之一波片6为真零级对应检测光波长的半波延迟器；检偏器7为消光比优于10^-5的沃拉斯顿偏振棱镜；平衡差分光电探测器8由两个光电二极管及其前置放大电路构成；光弹控制器与光弹调制器3配套用来驱动光弹调制器3的振动；数字锁相放大器由瑞士ZI公司研制的双通道HF2LI锁相放大器；

利用所述的基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置进行光旋角检测的方法，其包括下列步骤：

①将待测的碱金属气室样品5插入所述的四分之一波片4及二分之一波片6之间，调节入射光与样品表面垂直且从气室中心通过；

②光弹控制器通过前面板设定光弹调制器3的峰值相位延迟量为0.09rad，平衡差分光电探测器8分别记录从沃拉斯顿检偏器7出射的两路单通道及一路差分的光束光强并转化为电信号，其中两路单通道电信号“+”及“-”输出至所述的信号加法器的两路输入端，差分通道电信号输出至数字锁相放大器的信号输入端，光弹控制器输出端通过BNC与数字锁相放大器的参考信号输入端相连，数字锁相放大器的输出信号包含一次谐波分量和二次谐波分量，其中数字锁相放大器一次谐波输出信号通过BNC连接线输送至信号采集及处理单元；信号加法器输出的两单通道信号之和通过BNC连接线输入至信号采集及处理单元。

③信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的信号加法器输出信号为：

V_Add＝KI_Add＝K(I⁺+I^-)

其中，K为系统参数，I_Add为信号经加法器输出信号两单通道信号之和，I⁺为差分光电探测器正通道“+”输出光强，I^-为差分光电探测器负通道“-”输出光强；

信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的锁相放大器输出信号的二次谐波分量：

V_2f＝I^--I⁺＝2KI₀θJ₂(α_m)

其中，I₀为起偏器后初始入射激光强度，θ为待测经碱金属气室偏振光旋角，α_m是光弹调制器的峰值延迟量，J₂(α_m)是第2阶贝塞尔函数；

将加法器得到的两个单通道加和信号与锁相放大器获得的V_2f进行下列计算：

得到待测碱金属气室5的光旋角信息θ。

本发明的工作原理如下：

经过起偏器2出射的线偏振光的琼斯矢量E₀为：

光弹调制器3、四分之一波片4、以及待测碱金属气室样品5的琼斯矩阵分别为：

其中，J_PEM、J_QW、J_cell分别为所述的光弹调制器3、四分之一波片4、碱金属气室样品5的琼斯矩阵；δ(t)为所述光弹调制器3的相位延迟量，δ(t)＝α_m sin(ωt)，α_m为光弹调制器3的峰值延迟量，ω是调制频率，θ为线偏振光经过碱金属气室偏振面旋转的角度；

沃拉斯顿棱镜的两光束分量的琼斯矩阵分别为：

其中，J_WL1为经沃拉斯顿棱镜第一光束的琼斯矩阵，J_WL2为经沃拉斯顿棱镜第二光束的琼斯矩阵。

平衡差分光电探测器8探测得到的正通道“+”出射的光矢量E⁺为：

平衡差分光电探测器8测量正通道“+”的光强I⁺为：

平衡差分光电探测器8探测得到的负通道“-”的出射的光矢量E^-为：

平衡差分光电探测器8测量负通道“-”的光强I^-为：

平衡差分光电探测器8两路差分通道RF测量的光强I_Sub为：

I_Sub＝I^--I⁺＝I₀sin[δ(t)-2θ] (11)

通过雅克比-安格尔恒等式和欧拉公式可将三角函数展开成第一类贝塞尔函数形式：

其中J₀是零阶贝塞尔函数，J_2k-1是第2k-1阶贝塞尔函数，J_2k是第2k阶贝塞尔函数。设置光弹控制器使得光弹调制器峰值相位延迟量α_m＝0.09rad，将公式(12)、(13)带入公式(11)展开可得到：

I_Sub＝I₀(1-θ²).J₁(α_m)sinωt-2I₀θJ₀(α_m)+2I₀θJ₂(α_m)cos2ωt (14)

平衡差分光电探测器8采集的RF通道电信号V_Sub与测量光强I_Sub的关系为：

V_Sub＝KI_Sub (15)

其中K是差分光电探测器的包含光电转换系数在内的系统参数。从式(14)中能够分别得到直流分量V_DC，基频分量V_1f，二次谐波分量V_2f，数字锁相放大器测得的信号值为均方根值，因此数字锁相放大器测得的二次谐波分量为：

V_2f＝2KI₀θJ₂(α_m) (16)

平衡差分光电探测器8两单通道信号的电信号与测试光强的转换系数及差分通道的转换系数相等，且测试系统设置参数相同，其两路电信号相加后输出信号表达式为：

V_Add＝K(I^-+I⁺)＝KI₀ (17)

为了消除因准直光源功率波动以及光学器件的吸收、反射、散射引起的光强变化，将式(16)和式(17)相除，可得到：

通过公式(18)可以计算出线偏振光通过待测碱金属气室样品5的光学旋转角。

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 (3)

1.一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置，其特征在于：该装置包括准直扩束的检测激光源(1)、起偏器(2)、光弹调制器(3)、四分之一波片(4)、碱金属气室样品(5)、二分之一波片(6)、沃拉斯顿检偏器(7)、平衡差分光电探测器(8)、光弹控制器、数字锁相放大器、信号加法器和信号采集及处理单元，数字锁相放大器为双通道数字锁相放大器，包括第一锁相放大器和第二锁相放大器两个通道，其中，沿所述的准直扩束的检测激光源(1)出射的光束前进方向依次是起偏器(2)、光弹调制器(3)、四分之一波片(4)、待测碱金属气室样品(5)、二分之一波片(6)、沃拉斯顿检偏棱镜(7)和平衡差分光电探测器(8)，所述的光弹控制器通过串口与所述的光弹调制器(3)控制端相连，所述的光弹调制器(3)的第一输出端通过BNC转接头接所述的数字锁相放大器的参考信号输入端，所述的平衡差分光电探测器(8)的正通道“+”及负通道“-”信号输出端分别接所述的信号加法器两路输入端，所述的平衡差分光电探测器(8)的差分通道“RF”信号输出端连接所述的数字锁相放大器的信号输入端，经数字锁相放大器解调的二次谐波信号输出端通过BNC转接线接信号采集与处理单元，信号加法器输出的两单通道信号的加和信号通过BNC接入信号采集与处理单元，信号采集与处理单元的数据采集程序用于采集数字锁相放大器输出的信号。

2.根据权利要求1所述的基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置，其特征在于：起偏器(2)透光轴沿x轴方向；光弹调制器(3)的振动方向与起偏器(2)呈45度夹角；四分之一波片(4)为单点波长的真零级器件，其快轴与起偏器(2)透振方向同轴；二分之一波片(6)的快轴方向与起偏器(2)透光轴呈45度夹角，沃拉斯顿检偏器(7)的振动轴与起偏器(2)呈45度。

3.一种基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测方法，利用权利要求1所述的基于光弹调制的微小光旋角平衡差分检测装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

①将待测的碱金属气室样品(5)插入所述的四分之一波片(4)及二分之一波片(6)之间，注意入射光与样品表面垂直且从其中心通过；

②所述的光弹控制器通过前面板设定光弹调制器(3)的峰值相位延迟量为0.09rad，所述的平衡差分光电探测器(8)分别记录从沃拉斯顿检偏器(7)出射的两路单通道及一路差分通道的光束光强并转化为电信号，其中正通道“+”及负通道“-”的输出电信号分别接至所述的信号加法器的两路输入端，差分通道电信号输出至所述的数字锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器输出端通过BNC连接线与数字锁相放大器的参考信号输入端相连，数字锁相放大器的输出信号包含一次谐波分量和二次谐波分量，其中数字锁相放大器二次谐波输出信号包含待测样品信息并通过BNC连接线输送至信号采集及处理单元；

③所述的信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的信号加法器输出信号V_Add可表示为：

V_Add＝KI_Add＝K(I⁺+I^-)

其中，K为系统参数，I_Add为信号经加法器输出的两单通道信号之和，I⁺为差分光电探测器正通道“+”输出光强，I^-为差分光电探测器负通道“-”输出光强；

所述的信号采集及处理单元通过数据采集程序采集所述的锁相放大器输出信号的二次谐波分量V_2f为：

V_2f＝I^--I⁺＝2KI₀θJ₂(α_m)

其中，I₀为起偏器后初始入射激光强度，θ为经碱金属气室的线偏振光旋角，α_m是光弹调制器的峰值延迟量，J₂(α_m)是第2阶贝塞尔函数；

将信号加法器得到的两个单通道的加和信号和及锁相放大器获得的V_2f进行下列计算：

<mrow> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>d</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>f</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

得到待测碱金属气室(5)的光旋角信息θ。