CN107546571A - 一种用于serf原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，采用泵浦光稳频装置实现泵浦光稳频，泵浦光稳频装置包括泵浦光稳频原子气室、加热装置、探测器、反馈信号处理器和激光控制器，通过在光路中分出一束光，将分出的光通过只包含碱金属原子的气室时，窄的吸收峰可以实现高稳定性的频率稳定，同时通过增加反馈信号处理器和激光控制器，对泵浦光的输出光频率进行稳频控制，实现高稳定的频率稳定，同时避免了饱和吸收稳频带来的复杂光路。

Description

一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法

技术领域

本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，特别是涉及一种主要源于碱金属吸收峰的半导体激光器频率稳定方法，属于SERF原子自旋陀螺仪的激光稳频技术领域。

背景技术

半导体激光器的输出波长会随着激光器的温度和电流的变化产生相应的变化，对于激光器的应用产生一定的影响。特别是在SERF原子自旋陀螺仪中，泵浦激光的频率稳定性直接决定了原子极化率的稳定性，最终影响陀螺仪的零偏稳定性。当利用陀螺仪实现高精度的测量时，为保证陀螺仪的输出精度，要求输出激光有尽可能高的单色性。

为稳定激光器的出光频率，可以通过稳定激光器的外部环境，例如温度、湿度的环境因素。但是激光频率仍会由于环境的微弱变化和自身涨落发生微小程度的漂移和变化，为此，可采用更加有效的自动稳定控制系统。

SERF原子自旋陀螺仪使用的是DBR半导体激光器，只能通过外部原子气室实现高精度的稳频。原子气室中包含的碱金属原子能级劈裂产生D1线和D2线，当激光频率达到与原子能级差所对应的频率时，原子对激光产生强烈吸收。当对激光器的电流进行锯齿波扫描时，激光器的频率也产生锯齿波移动，频率达到D1和D2线时，可以获得明显的吸收峰谱线。吸收峰谱线的位置和宽度与原子气室的气压、气室温度相关。

SERF原子自旋陀螺仪的原子气室中充有碱金属原子、惰性气体、缓冲气体。缓冲气体的作用是减少碱金属原子和惰性气体原子与气壁的碰撞，因而一般充有高于一个大气压的气体，进而导致吸收峰很宽，一般来说大于1GHz。而太宽的吸收峰难以直接进行激光频率稳频。

此外也可以采取在主光路中分出一束光利用饱和吸收稳频方法进行稳频，此方法可以消除多普勒展宽，然而多普勒展宽并不是气室展宽的最主要因素，同时但该方法光路实现复杂，不适于实现SERF原子自旋陀螺仪的小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，通过在光路中分出一束光，经过专用稳频气室，实现高精度的泵浦激光频率稳定，稳频中采用信号监测装置与信号反馈放大装置，通过温度与电流对激光器的调节，寻找最佳稳频点，并最终通过PID算法形成闭环控制，实现激光稳频。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，采用泵浦光稳频装置实现，所述泵浦光稳频装置包括泵浦光稳频原子气室、加热装置、探测器、反馈信号处理器和激光控制器，具体实现步骤如下：

步骤(一)、泵浦激光器接收激光控制器发出的控制电流信号后发出线偏振光，所述线偏振光经过光强度调节之后，分为两束光，其中一束光进入泵浦光稳频原子气室，由探测器采集经泵浦光稳频原子气室中的碱金属吸收后得到的光谱信号；所述加热装置对泵浦光稳频原子气室进行加热；

步骤(二)、探测器将采集的所述光谱信号转换为电流信号，并输出至反馈信号处理器；

步骤(三)、反馈信号处理器接收所述电流信号，将所述电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号依次进行滤波、放大和PID处理后输出给激光控制器；

步骤(四)、激光控制器将从反馈信号处理器接收的电压信号转换为电流信号，将所述电流信号作为稳频信号输出到泵浦激光器，实现泵浦激光器输出光的频率稳定。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述加热装置对泵浦光稳频原子气室进行加热的加热温度为80℃～150℃。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(一)中泵浦激光器发出的线偏振光通过1/2波片，再通过偏振分束棱镜后，分成两束光。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(三)中反馈信号处理器接收电流信号，通过转换电路将电流信号转换为电压信号，所述转换电路包括I-V转换器、电阻R1、R2、R3和电容C1，所述I-V转换器包括8个引脚，电流信号作为转换电路的输入信号连接至引脚2，电阻R2和电容C1均与引脚1相连并与输入的电流信号并联，引脚3经连接电阻R3后接地，输出信号连接引脚1，并经电阻R1后接地，引脚8连接正向电压，引脚4连接负向电压，引脚5、6、7均空接。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，还包括放大电路，所述放大电路连接转换电路，反馈信号处理器接收电流信号，通过转换电路将电流信号转换为电压信号，经过放大电路放大后输出；所述放大电路包括放大器和电阻R，所述放大器包括8个引脚，输入电压信号连接引脚2，输出电压信号连接引脚6，引脚3和5均接地，引脚7连接正向电压，引脚4连接负向电压，引脚1和引脚8经放大电阻R相连接。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述放大器对输入电压的放大倍数G和电阻R满足如下关系：

G＝1+50000/R

其中：R为电阻R的阻值。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述I-V转换器为AD8512转换器，所述放大器为INA128P放大器。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(一)中还包括激光控制器对进入泵浦激光器的电流进行锯齿波扫描，相应的泵浦激光器向泵浦光稳频原子气室输出的光的频率变化为锯齿波，设置泵浦激光器扫描电流的幅度和中心值参数，使得探测器获得的光谱信号中的吸收峰位于锯齿波的中间位置，缩减锯齿波的幅度，使得探测器的光谱信号中仅有一个吸收峰，更改所述锯齿波为正弦波。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述正弦波采用DDS进行频率合成，通过更改相位累加器的频率控制字，并对所得波形进行平滑滤波，使得扫描正弦波频率为1KHz～10KHz。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(三)中反馈信号处理器对电压信号进行PID处理的具体方法如下：

(1)、扫描波形由锯齿波变为正弦波后，泵浦激光器向泵浦光稳频原子气室输出的光的频率变化呈正弦波形式；当激光频率稳定在吸收峰时，探测器获得的光谱信号呈现出左右对称的半正弦波形，当激光频率漂移离开吸收峰位置时，探测器获得的光谱信号呈左右非对称的半正弦波形；

(2)、对两个半正弦波幅值进行做差，所得差值U(k)即为PID处理器的输入量，当所得差值为零表明激光频率稳定在吸收峰位置，当所得差值非零，将其输入到PID处理器控制回路的比例控制器和积分控制器中，完成PID的反馈控制。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述PID处理器中将两个半波幅值差值U(k)乘以比例因子kp作为比例项，将U(k)乘以积分因子ki作为积分项，将比例项和积分项相加得到所需电压信号，经电压电流信号转换器即得到PID控制器的输出量I(k)，将I(k)输入到激光控制器中。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(一)中线偏振光经过光强度调节之后分出的另一束光经过1/4波片后转化为圆偏振的光，进入到原子自旋陀螺仪的磁屏蔽中，穿过陀螺原子气室，用于极化原子自旋。

在上述用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法中，所述步骤(一)中泵浦光稳频原子气室中的碱金属为Rb、Cs或者K，且与陀螺原子气室中的碱金属相同。

本发明与现有技术相比具有的优势在于：

(1)、本发明采用泵浦光稳频装置实现泵浦光稳频，通过在光路中分出一束光，将分出的光通过只包含碱金属原子的气室时，窄的吸收峰可以实现高稳定性的频率稳定，同时通过增加反馈信号处理器和激光控制器，对泵浦光的输出光频率进行稳频控制，实现高稳定的频率稳定，同时避免了饱和吸收稳频带来的复杂光路。

(2)、本发明利用纯碱金属的气室进行泵浦光稳频，将泵浦光频率锁定在碱金属D1线吸收峰上，具有比直接利用SERF原子自旋陀螺仪原子气室更高的频率稳定性。

(3)、本发明利用从主光路分出一束光进行稳频，不会对进入SERF原子自旋陀螺仪原子气室的主光路造成干扰。

(4)、本发明利用数字电路PID控制算法进行频率锁定，比传统的模拟电路稳频更方便，精度也更高。

(5)、本发明采用分光路，单独纯碱金属原子气室稳频，可实现原子气室的更换更加便捷，气室形状选择范围较广，本发明可以应用于战略战术武器装备、空间飞行器等。

附图说明

图1为本发明SERF原子自旋陀螺仪泵浦光稳频原理示意图；

图2为本发明转换电路的电路图；

图3为本发明放大电路的电路图；

图4为本发明的PID控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明SERF原子自旋陀螺仪泵浦光稳频原理示意图，由图可知，本发明泵浦光稳频方法采用泵浦光稳频装置实现，泵浦光稳频装置包括泵浦光稳频原子气室7、加热装置8、探测器9、反馈信号处理器10和激光控制器11，本发明用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，主要源于温度控制的高精度振动激光器稳定步骤，还涉及到的元器件包括SERF原子自旋陀螺仪装置、1/2波片1、偏振分束棱镜(PBS)2、1/4波片3、磁屏蔽4、三维磁场线圈5和陀螺原子气室6，具体方法如下：

一、稳频光路如图1所示，泵浦激光器12接收激光控制器11发出的控制电流信号后发出线偏振光，泵浦激光器12发出的线偏振光通过1/2波片1后，再通过偏振分束棱镜2后，进行光强度调节后分成两束光。其中一束光是透射光，经过1/4波片3后变成圆偏振的光，进入到原子自旋陀螺仪的磁屏蔽4中，穿过陀螺原子气室6，用于极化原子自旋。原子气室置于三维的亥姆赫兹线圈5中，实现磁场控制。

经过偏振分束棱镜2的另外一束光是反射光，进入用于稳频的泵浦光稳频原子气室7，达到探测器9，由探测器9采集经泵浦光稳频原子气室7中的碱金属吸收后得到的光谱信号。泵浦光稳频原子气室7由加热装置8进行加热，本实施例中加热装置8为无磁加热片。无磁加热片用于加热稳频用原子气室，使稳频吸收峰更加尖锐，同时利用无磁的加热系统，避免磁场对吸收峰的干扰，提高频率的稳定精度。开启加热控制系统，使得无磁加热片8给原子气室7加热，通过温度控制系统保证原子气室7工作在稳定的温度点。本发明实施例中加热装置8对泵浦光稳频原子气室7进行加热的加热温度为80℃～150℃，控制精度为0.1℃以内。

泵浦光稳频原子气室7内部只填充碱金属原子，碱金属原子为Rb、Cs或者K，碱金属的选择在于其D1线在泵浦光的频率附近，且与陀螺原子气室6中的碱金属相同。

该步骤中还包括激光控制器11对进入泵浦激光器12的电流进行锯齿波扫描，相应的泵浦激光器12向泵浦光稳频原子气室7输出的光的频率变化为锯齿波，设置泵浦激光器12扫描电流的幅度和中心值参数，使得探测器9获得的光谱信号中的吸收峰位于锯齿波的中间位置，缩减锯齿波的幅度，使得探测器9的光谱信号中仅有一个吸收峰，更改所述锯齿波为正弦波。正弦波采用DDS进行频率合成，通过更改相位累加器的频率控制字，并对所得波形进行平滑滤波，使得扫描正弦波频率为1KHz～10KHz。

SERF原子自旋陀螺仪装置：陀螺仪内原子气室填充有碱金属原子K、Rb或Cs，惰性气体Xe、Ne或者He，淬灭气体N₂，原子气室外是补偿剩余磁场的三维磁场线圈，线圈外是屏蔽地球磁场的多层磁屏蔽系统。

1/2波片：调节泵浦光出射光的偏振面。

PBS：与1/2波片配合，实现调节SERF原子自旋陀螺仪主光路和稳频光路的光强。

1/4波片：将进入SERF原子自旋陀螺仪原子气室的线偏振光转变成圆偏振光，实现原子自旋极化。

二、探测器9将采集的光谱信号转换为电流信号，并输出至反馈信号处理器10。

三、反馈信号处理器10接收电流信号，将电流信号转换为电压信号，并将电压信号依次进行滤波、放大和PID处理后输出给激光控制器11。

本发明中通过转换电路和放大电路对接收的电流信号进行处理，首先转换电路将电流信号转换为电压信号，放大电路将该电压信号进行放大后输出，转换电路和放大电路直接相连。如图2所示为本发明转换电路的电路图，转换电路包括I-V转换器、电阻R1、R2、R3和电容C1，其中I-V转换器包括8个引脚，本实施例中采用AD8512作为I-V转换器，其相应I-V转换电路图2。输入的电流信号放于I-V转换器的负相输入端，输入信号经过I-V转换器将电流信号转换为电压信号。将反馈信号处理器10接收到的电流信号(Signal_In)作为输入信号连接至引脚2，电阻R2和电容C1均与引脚1相连并与输入信号(Signal_In)并联，引脚3经连接电阻R3后接地，输出信号(Signal_Out)连接引脚1，并经电阻R1后接地，引脚8接正向电压+12V，引脚4接负向电压-12V，引脚5、6、7均空接。本实施例中R1阻值为10K欧姆，R2阻值为200K欧姆，R3阻值为100欧姆，C1电容为0.1u法拉。

如图3所示为本发明放大电路的电路图，经AD8512输出的电压较小需要进一步放大，放大电路包括放大器和电阻R，其中放大器包括8个引脚，本实施例采用INA128P放大器对电压进行放大，相应电压放大电路图3所示：输入电压信号(Signal_In)接引脚2，输出电压信号(Signal_Out)接引脚6，引脚3和引脚5均接地，引脚7接正向电压+12V，引脚4接负向电压-12V，引脚1和引脚8经放大电阻R相连接。INA128P对电压的放大倍数G和电阻R的关系为：

G＝1+50000/R

其中：R为电阻R的阻值。本实施例中R的阻值为1000欧姆。

如图4所示为本发明的PID控制原理图，本发明中反馈信号处理器10对电压信号进行PID处理的具体方法如下：

(1)、扫描波形由锯齿波变为正弦波后，泵浦激光器12向泵浦光稳频原子气室7输出的光的频率变化呈正弦波形式；当激光频率稳定在吸收峰时，探测器(9)获得的光谱信号(电流信号)呈现出左右对称的半正弦波形，当激光频率漂移离开吸收峰位置时，探测器9获得的光谱信号(电流信号)呈左右非对称的半正弦波形；

(2)、对两个半正弦波幅值进行做差，所得差值U(k)即为PID处理器的输入量，当所得差值为零表明激光频率稳定在吸收峰位置，当所得差值非零，将其输入到PID处理器控制回路的比例控制器和积分控制器中，完成PID的反馈控制。

PID处理器中将两个半波幅值差值U(k)乘以比例因子kp作为比例项，将U(k)乘以积分因子ki作为积分项，将比例项和积分项相加得到所需电压信号，经电压电流信号转换器即得到PID控制器的输出量I(k)，I(k)作为输入量作用到激光控制器11中。按照“先比例后积分”的顺序不断调整PID控制器参数kp和ki直到差值U(k)在零值附近振荡，则说明激光频率稳定在吸收峰的位置。

四、激光控制器11将从反馈信号处理器10接收的电压信号转换为电流信号，将电流信号作为稳频信号输出到泵浦激光器12，实现泵浦激光器12输出光的频率稳定。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (13)

1.一种用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：采用泵浦光稳频装置实现，所述泵浦光稳频装置包括泵浦光稳频原子气室(7)、加热装置(8)、探测器(9)、反馈信号处理器(10)和激光控制器(11)，具体实现步骤如下：

步骤(一)、泵浦激光器(12)接收激光控制器(11)发出的控制电流信号后发出线偏振光，所述线偏振光经过光强度调节之后，分为两束光，其中一束光进入泵浦光稳频原子气室(7)，由探测器(9)采集经泵浦光稳频原子气室(7)中的碱金属吸收后得到的光谱信号；所述加热装置(8)对泵浦光稳频原子气室(7)进行加热；

步骤(二)、探测器(9)将采集的所述光谱信号转换为电流信号，并输出至反馈信号处理器(10)；

步骤(三)、反馈信号处理器(10)接收所述电流信号，将所述电流信号转换为电压信号，并将所述电压信号依次进行滤波、放大和PID处理后输出给激光控制器(11)；

步骤(四)、激光控制器(11)将从反馈信号处理器(10)接收的电压信号转换为电流信号，将所述电流信号作为稳频信号输出到泵浦激光器(12)，实现泵浦激光器(12)输出光的频率稳定。

2.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述加热装置(8)对泵浦光稳频原子气室(7)进行加热的加热温度为80℃～150℃。

3.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(一)中泵浦激光器(12)发出的线偏振光通过1/2波片(1)，再通过偏振分束棱镜(2)后，分成两束光。

4.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(三)中反馈信号处理器(10)接收电流信号，通过转换电路将电流信号转换为电压信号，所述转换电路包括I-V转换器、电阻R1、R2、R3和电容C1，所述I-V转换器包括8个引脚，电流信号作为转换电路的输入信号连接至引脚2，电阻R2和电容C1均与引脚1相连并与输入的电流信号并联，引脚3经连接电阻R3后接地，输出信号连接引脚1，并经电阻R1后接地，引脚8连接正向电压，引脚4连接负向电压，引脚5、6、7均空接。

5.根据权利要求4所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：还包括放大电路，所述放大电路连接转换电路，反馈信号处理器(10)接收电流信号，通过转换电路将电流信号转换为电压信号，经过放大电路放大后输出；所述放大电路包括放大器和电阻R，所述放大器包括8个引脚，输入电压信号连接引脚2，输出电压信号连接引脚6，引脚3和5均接地，引脚7连接正向电压，引脚4连接负向电压，引脚1和引脚8经放大电阻R相连接。

6.根据权利要求5所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述放大器对输入电压的放大倍数G和电阻R满足如下关系：

G＝1+50000/R

其中：R为电阻R的阻值。

7.根据权利要求4～6之一所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述I-V转换器为AD8512转换器，所述放大器为INA128P放大器。

8.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(一)中还包括激光控制器(11)对进入泵浦激光器(12)的电流进行锯齿波扫描，相应的泵浦激光器(12)向泵浦光稳频原子气室(7)输出的光的频率变化为锯齿波，设置泵浦激光器(12)扫描电流的幅度和中心值参数，使得探测器(9)获得的光谱信号中的吸收峰位于锯齿波的中间位置，缩减锯齿波的幅度，使得探测器(9)的光谱信号中仅有一个吸收峰，更改所述锯齿波为正弦波。

9.根据权利要求8所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述正弦波采用DDS进行频率合成，通过更改相位累加器的频率控制字，并对所得波形进行平滑滤波，使得扫描正弦波频率为1KHz～10KHz。

10.根据权利要求8或9所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(三)中反馈信号处理器(10)对电压信号进行PID处理的具体方法如下：

(1)、扫描波形由锯齿波变为正弦波后，泵浦激光器(12)向泵浦光稳频原子气室(7)输出的光的频率变化呈正弦波形式；当激光频率稳定在吸收峰时，探测器(9)获得的光谱信号呈现出左右对称的半正弦波形，当激光频率漂移离开吸收峰位置时，探测器(9)获得的光谱信号呈左右非对称的半正弦波形；

(2)、对两个半正弦波幅值进行做差，所得差值U(k)即为PID处理器的输入量，当所得差值为零表明激光频率稳定在吸收峰位置，当所得差值非零，将其输入到PID处理器控制回路的比例控制器和积分控制器中，完成PID的反馈控制。

11.根据权利要求10所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述PID处理器中将两个半波幅值差值U(k)乘以比例因子kp作为比例项，将U(k)乘以积分因子ki作为积分项，将比例项和积分项相加得到所需电压信号，经电压电流信号转换器即得到PID控制器的输出量I(k)，将I(k)输入到激光控制器(11)中。

12.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(一)中线偏振光经过光强度调节之后分出的另一束光经过1/4波片(3)后转化为圆偏振的光，进入到原子自旋陀螺仪的磁屏蔽(4)中，穿过陀螺原子气室(6)，用于极化原子自旋。

13.根据权利要求1～6、8～9、11～12之一所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光稳频方法，其特征在于：所述步骤(一)中泵浦光稳频原子气室(7)中的碱金属为Rb、Cs或者K，且与陀螺原子气室(6)中的碱金属相同。