CN107131902B - 一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法，该标定方法利用的标定装置包括光学测量模块和信号处理模块两部分。光学测量模块由激光器、偏振分光棱镜、八分之一波片、光弹调制器和反射镜组成，共同完成对入射光偏振态的调制；信号处理模块由光电探测器、信号调节器、锁相放大器、光弹调制驱动器和计算机组成，得到光弹调制器的峰值延迟量。本发明的标定方法在光弹调制器工作在小角度调制状态时具有较高的灵敏度；由于激光光束先后通过了光弹调制器两次，因此标定精度较传统方法提高了两倍；标定结果不受入射光强波动的影响，可修正由于外界环境影响造成的光弹调制器实际的峰值延迟量与设定值的偏差，从而提高原子磁强计中原子自旋进动检测结果的精度。

Description

一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法

技术领域

本发明属于偏振测量技术领域，具体涉及一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方 法，可广泛应用于原子磁强计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

近年来，随着量子精密测量技术的快速发展，基于原子自旋效应的原子磁强计以其 超高的理论精度得到了广泛关注和大力发展。在原子磁强计中，通常通过光弹调制法来获取原子自旋进动状态信息。光弹调制器是一种基于光弹效应的相位调制器件，主要由 各向同性的光学材料和压电材料组成。交流电压驱动的压电材料在各向同性的光学材料 上施加周期性变化的机械力，使光学晶体产生共振，形成机械驻波，从而使光学晶体产 生周期性双折射，因此光通过光弹调制器后其相位延迟量被调制。由于光弹调制器具有 接收角大、调制效率高、调制纯度高、调制稳定性好等优点，被广泛应用于高精度偏振 调制检测技术中。

在实际工作过程中，光弹调制器的峰值延迟量可能会受到外界环境的影响(如温度) 而发生变化，导致其实际的峰值延迟量与设定值存在偏差，同时由于原子磁强计中使用 的光弹调制器需要工作在小角度的调制状态，因此在实际使用中必须对光弹调制器峰值 延迟量进行精确标定，减小由于光弹调制器的峰值延迟量的偏差造成的原子自旋进动检 测结果的误差。

光弹调制器的标定方法主要有单光子计数法、多次谐波比法、示波器波形显示法和 贝塞尔函数归零法。单光子计数法和多次谐波比法的实验方法复杂，且标定精度较低。示波器波形显示法只适用于调制幅度较大的固定峰值延迟量的光弹调制器标定，且依赖于标定人员的主观判断，因此标定误差较大。贝塞尔函数归零法不能够对小角度调制状 态下的光弹调制器的峰值延迟量进行精确标定，且标定结果受光强波动影响较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，设计一种用于光弹调制器 峰值延迟量的标定方法。该方法特别适用于标定工作在小角度调制状态的光弹调制器，标定结果不受入射光强波动的影响，并且标定精度较传统标定方法提高了两倍。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法，该标定方法利用的标定装置包括光学 测量模块和信号处理模块两部分。其中光学测量模块由激光器、偏振分光棱镜、八分之一波片、光弹调制器和反射镜组成；信号处理模块由光电探测器、信号调节器、计算机、 光弹调制驱动器和锁相放大器组成；上述元器件的位置关系如下：

沿激光器出射的光束前进方向依次是所述的偏振分光棱镜、八分之一波片、光弹调 制器和反射镜。所述的光弹调制驱动器的第一输出端接所述的光弹调制器的信号输入端，所述的光弹调制驱动器的第二输出端接所述的锁相放大器的参考信号输入端，所述 的光电探测器的输出端接所述的信号调节器的输入端，所述的信号调节器的直流输出端 接所述的计算机，所述的信号调节器的交流输出端接所述的锁相放大器，所述的锁相放 大器的信号输出端通过串口接入所述的计算机。所述的计算机安装有数据采集程序，用 于采集信号调节器输出的直流分量和锁相放大器输出的一次谐波分量。

所述的八分之一波片的快轴方向与光弹调制器的调制轴方向平行，且都与偏振分光 棱镜的透射轴方向成45°。

该方法包括下列步骤：

a、通过光弹调制驱动器的输入面板设定光弹调制器的峰值延迟量，使光弹调制器的峰值延迟量从0.1rad开始以0.02rad的步进间隔逐渐增加到1rad，在每一个设定点进 行如下b至e步骤；

b、激光器出射的光经过偏振分光棱镜后透射的光为线偏振光，线偏振光依次通过八分之一波片、光弹调制器后被反射镜反射，反射的光第二次通过光弹调制器、八分之 一波片，之后从偏振分光棱镜(2)反射面出射的光被光电探测器(6)接收并转化成电 信号；

c、从光电探测器输出的电信号被送入信号调节器，从信号调节器输出的直流信号直接送入计算机，而从信号调节器输出的交流信号经过锁相放大器得到一次谐波分量后再送入计算机。计算机中的数据采集程序对一次谐波分量和直流分量进行数据采集和相应的处理得到光弹调制器的峰值延迟量；

d、从锁相放大器输出的一次谐波分量信号V_1f和从信号调节器输出的直流分量信号V_dc分别为：

V_1f＝kI₀J₁(2δ)

其中，k为光电探测器的光电转换系数，I₀为入射激光的初始光强，J₁为一阶贝塞尔函数，δ为光弹调制器的峰值延迟量；

e、计算机中的数据采集程序对采集到的一次谐波分量信号V_1f和直流分量信号V_dc进 行相应的处理，即可得到光弹调制器的峰值延迟量：

本发明的原理是：在第一类贝塞尔函数中，当光弹调制器调制峰值延迟量在0到1rad 范围内变化时，一阶贝塞尔函数曲线的斜率最大，也就是说，一阶贝塞尔函数在峰值延 迟量在0到1rad变化时的灵敏度最高，因此，可以用含有一阶贝塞尔函数的一次谐波分量标定小角度调制状态下的峰值延迟量。由于激光光束先后通过了光弹调制器两次，因 此标定精度较传统标定方法提高了两倍。数据采集程序对采集到的一次谐波分量信号V_1f和直流分量信号V_dc进行的相除处理，使标定结果不含入射光强I₀，因此标定结果不受入 射光强波动的影响。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)当光弹调制器调制峰值延迟量在0到1rad范围内变化时，一阶贝塞尔函数曲线的斜率最大，因此所述的光弹调制器峰值延迟量的标定方法在光弹调制器工作在小角度调制状态时的标定灵敏度最高。

(2)由于激光光束先后通过了光弹调制器两次，因此标定精度较传统标定方法提高了两倍。

(3)标定结果不受入射光强波动的影响。

(4)标定结果可修正由于外界环境影响造成的光弹调制器实际的峰值延迟量与设定值的偏差，从而提高原子磁强计中原子自旋进动检测结果的精度。

附图说明

图1为本发明一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法的结构框图。

图中附图标记含义为：1为激光器，2为偏振分光棱镜，3为八分之一波片，4为光 弹调制器，5为反射镜，6为光电探测器，7为信号调节器，8为计算机，9为光弹调制 驱动器9，10为锁相放大器。

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。

如图1所示，标定装置主要包括光学测量模块和信号处理模块两部分。其中光学测量模块由激光器1、偏振分光棱镜2、八分之一波片3、光弹调制器4和反射镜5组成； 信号处理模块由光电探测器6、信号调节器7、计算机8、光弹调制驱动器9和锁相放大 器10组成。

上述标定装置中各器件的位置关系如下：

沿激光器1出射的光束前进方向依次是偏振分光棱镜2、八分之一波片3、光弹调制器4和反射镜5。光弹调制驱动器9的第一输出端接光弹调制器4的信号输入端，光 弹调制驱动器9的第二输出端接锁相放大器10的参考信号输入端，光电探测器6的输 出端接信号调节器7的输入端，信号调节器7的直流输出端接计算机8，信号调节器7 的交流输出端接锁相放大器10，锁相放大器10的信号输出端通过串口接入计算机8。 计算机8安装有数据采集程序，用于采集信号调节器7输出的直流分量和锁相放大器10 输出的一次谐波分量。

图1所示的一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法的结构框图中，八分之一波 片的快轴方向与光弹调制器的调制轴方向平行，且都与偏振分光棱镜的透射轴方向成45°。

所述的一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法包括下列步骤：

a、通过光弹调制驱动器9的输入面板设定光弹调制器4的峰值延迟量，使光弹调制器4的峰值延迟量从0.1rad开始以0.02rad的步进间隔逐渐增加到1rad，在每一个设 定点进行如下b至e步骤；

b、激光器1出射的光经过偏振分光棱镜2后透射的光为线偏振光，线偏振光依次通过八分之一波片3、光弹调制器4后被反射镜5反射，反射的光第二次通过光弹调制 器4、八分之一波片3、偏振分光棱镜2后，从偏振分光棱镜2反射的光被光电探测器6 转化成电信号，可以利用琼斯矩阵来推导入射到光电探测器6的光强大小：

设透过偏振分光棱镜2后的光束的偏振方向沿x轴方向，其琼斯矢量G₀为：

其中，E₀是入射光振幅，则初始光强I₀＝E₀ ²。

快轴方向与x轴成+45°的八分之一波片3的琼斯矩阵为：

调制轴方向与x轴成+45°的光弹调制器4的琼斯矩阵为：

式中，δ(t)＝δsin(ωt)，δ(t)是光弹调制器振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间 的延迟量，δ为光弹调制器的峰值延迟量，ω为光弹调制器的调制角频率。

反射镜5的琼斯矩阵为：

被反射镜5反射的光再次通过光弹调制器4和八分之一波片3，此时光弹调制器4的调制轴方向和八分之一波片3的快轴方向可以认为与x轴成-45°，则它们的琼斯矩阵 分别为：

两次通过光弹调制器4和八分之一波片3的反射光的偏振态被偏振分光棱镜2的反射面检测，偏振分光棱镜2的反射面可以看作是透光轴与y轴平行的检偏器，其琼斯矩 阵为：

则入射到光电探测器6的光束的琼斯失量G为：

G＝G_PBS1G_λ/8′G_PEM′G_rG_PEMG_λ/8G₀ (8)

根据贝塞尔函数展开式和小角度近似(因为在原子磁强计中δ＜＜1)后得到的对应的 光强信号为：

c、从光电探测器6输出的电信号被送入信号调节器7，从信号调节器7输出的直流信号直接送入计算机8，而从信号调节器7输出的交流信号经过锁相放大器10得到一次 谐波分量后再送入计算机8。

d、从锁相放大器10输出的一次谐波分量信号为：

V_1f＝kI₀J₁(2δ) (10)

k为光电探测器的光电转换系数，I₀为入射激光的初始光强，J₁为一阶贝塞尔函数，δ为光弹调制器的峰值延迟量；

从信号调节器7输出的直流信号为：

e、为了消除入射光光强波动造成的影响，计算机8中的数据采集程序对一次谐波分量和直流分量进行相除运算，即可得到光弹调制器4的峰值延迟量；

总之，本发明的标定结果不受入射光强波动的影响；在光弹调制器工作在小角度调 制状态时的标定灵敏度最高；由于激光光束先后通过了光弹调制器两次，因此标定精度较传统标定方法提高了两倍。

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 (1)

1.一种用于光弹调制器峰值延迟量的标定方法，其特征在于：包括下列步骤：

a、通过光弹调制驱动器(9)的输入面板设定光弹调制器(4)的峰值延迟量，使光弹调制器(4)的峰值延迟量从0.1rad开始以0.02rad的步进间隔逐渐增加到1rad，在每一个设定点进行如下步骤b至步骤e；

b、激光器(1)出射的光经过偏振分光棱镜(2)后透射的光为线偏振光，线偏振光依次通过八分之一波片(3)、光弹调制器(4)后被反射镜(5)反射，反射的光第二次通过光弹调制器(4)、八分之一波片(3)、偏振分光棱镜(2)后，从偏振分光棱镜(2)反射的光被光电探测器(6)转化成电信号，利用琼斯矩阵来推导入射到光电探测器(6)的光强大小：

设透过偏振分光棱镜(2)后的光束的偏振方向沿x轴方向，其琼斯矢量G₀为：

其中，E₀是入射光振幅，则初始光强I₀＝E₀ ²；

快轴方向与x轴成+45°的八分之一波片(3)的琼斯矩阵为：

调制轴方向与x轴成+45°的光弹调制器(4)的琼斯矩阵为：

式中，δ(t)＝δsin(ωt)，δ(t)是光弹调制器振动轴及垂直方向分量上两偏振分量之间的延迟量，δ为光弹调制器的峰值延迟量，ω为光弹调制器的调制角频率；

反射镜(5)的琼斯矩阵为：

被反射镜(5)反射的光再次通过光弹调制器(4)和八分之一波片(3)，此时光弹调制器(4)的调制轴方向和八分之一波片(3)的快轴方向认为与x轴成-45°，则它们的琼斯矩阵分别为：

两次通过光弹调制器(4)和八分之一波片(3)的反射光的偏振态被偏振分光棱镜(2)的反射面检测，偏振分光棱镜(2)的反射面看作是透光轴与y轴平行的检偏器，其琼斯矩阵为：

则入射到光电探测器(6)的光束的琼斯失量G为：

G＝G_PBS1G_λ/8′G_PEM′G_rG_PEMG_λ/8G₀ (8)

因为在原子磁强计中δ＜＜1，根据贝塞尔函数展开式和小角度近似后得到的对应的光强信号为：

c、从光电探测器(6)输出的电信号被送入信号调节器(7)，从信号调节器(7)输出的直流信号直接送入计算机(8)，而从信号调节器(7)输出的交流信号经过锁相放大器(10)得到一次谐波分量后再送入计算机(8)；

d、从锁相放大器(10)输出的一次谐波分量信号为：

V_1f＝kI₀J₁(2δ) (10)

k为光电探测器的光电转换系数，I₀为入射激光的初始光强，J₁为一阶贝塞尔函数，δ为光弹调制器的峰值延迟量；

从信号调节器(7)输出的直流信号为：

e、为了消除入射光光强波动造成的影响，计算机(8)中的数据采集程序对一次谐波分量和直流分量进行相除运算，即可得到光弹调制器(4)的峰值延迟量；

该方法的标定结果不受入射光强波动的影响；在光弹调制器工作在小角度调制状态时的标定灵敏度最高；由于激光光束先后通过了光弹调制器两次，因此标定精度较传统标定方法提高了两倍。

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