CN107643615A - 一种serf原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，利用液晶相位延迟器抑制SERF原子自旋陀螺抽运激光和检测激光光强波动，进而提高SERF原子自旋陀螺输出信号的稳定性。该方法首先利用光电探测器探测分光棱镜从抽运激光和检测激光主路分出的激光，将探测信号通过ADC模数转换器反馈到数字控制器中，数字控制器通过PID算法产生PID控制律，通过DAC数模转换器控制液晶相位延迟器的相位延迟量，实现激光光强透过率的控制，进而实现抽运激光、检测激光光强稳定控制。本发明在检测光路中将分光棱镜置于光弹调制模块之后，进一步抑制进入碱金属气室前检测激光光强的波动，实现SERF原子自旋陀螺仪全光路光强稳定控制，同时有利于SERF原子自旋陀螺的小型化。

Description

一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统

技术领域

本发明涉及一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，特别是一种基于液晶相位延迟器光强稳定控制系统，可用于SERF原子自旋陀螺激光光强稳定控制，抑制激光光强波动，减小SERF原子自旋陀螺的陀螺漂移，有利于SERF陀螺的小型化。

背景技术

SERF原子自旋陀螺是继机电陀螺、光学陀螺之后的第三代新型陀螺仪，利用原子自旋替代机械转子，理论精度可达10^-8°/h，是新一代运动载体用超高精度惯性导航的重要发展方向之一。

根据SERF原子自旋陀螺误差传递关系，抽运激光光强的波动会导致原子抽运率的波动，从而引起标度因数误差；而检测激光光强的波动会直接引起标度因数误差。由于体积的限制，SERF原子自旋陀螺一般采用光强波动较大的半导体激光器。为满足SERF原子自旋陀螺高精度测量旋转角速率的要求，必须对SERF原子自旋陀螺抽运激光和检测激光光强进行稳定控制。

激光光强稳定控制方法分为两类：一是通过负反馈直接控制激光器内部激光二极管的注入电流和温度实现激光光强稳定控制，其稳定度在10^-2量级；二是利用外部光学调制器件(如声光调制器、电光调制器等)对激光进行调制，通过负反馈抑制激光的功率波动，稳定度可达10^-4量级。方法一稳定度较差，且改变激光二极管注入电流和温度会改变输出激光的频率，方法二的稳定精度高，但传统的做法是采用集成的声光调制器或电光调制器，无法融入小型SERF原子自旋陀螺的抽运和检测光路中，且电控系统一般采用模拟电路，响应速度慢，控制精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，利用液晶相位延迟器的电控双折射特性，抑制由抽运激光器和检测激光器本身以及抽运、检测光路中的光学器件引起的抽运激光和检测激光光强波动，从而减小抽运激光和检测激光光强引起的SERF原子自旋陀螺漂移。该系统能够与SERF原子自旋陀螺的光路有机地结合起来，减小陀螺的体积，同时电控系统采用数字电路，具有参数调节方便、响应速度快和控制精度高的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，包括：由抽运激光隔离器2、第一液晶相位延迟器3、第一反射镜4、第一检偏器5、第一λ/2波片6、格兰棱镜7、第一光电探测器8、第一电控单元9构成抽运激光光强稳定控制模块；由检测激光隔离器12、第二液晶相位延迟器13、第二反射镜14、第二检偏器15、NPBS分光棱镜19、第二光电探测器20、第二电控单元21构成检测激光光强稳定控制模块；由第二λ/2波片16、光弹相位调制器17、第二λ/4波片18构成光弹调制模块，实现线偏振光方向的调制；抽运激光器1产生的激光光束经抽运激光隔离器2、第一液晶相位延迟器3、第一反射镜4、第一检偏器5、第一λ/2波片6、格兰棱镜7分成两束，一束经第一λ/4波片10变为圆偏光进入碱金属气室23，用于极化碱金属气室23中的碱金属原子及惰性气体原子，另一束进入第一光电探测器8转换为电信号作为抽运激光主路激光光束的反馈信号反馈至第一电控单元9，在第一电控单元9中对其进行处理输出PID控制电压作用在第一液晶相位延迟器3上，改变其相位延迟，实现抽运激光光强的稳定控制；检测激光器11产生的检测激光经检测激光隔离器12、第二液晶相位延迟器13、第二反射镜14、第二检偏器15、第二λ/2波片16、光弹相位调制器17、第二λ/4波片18、NPBS分光棱镜19分成两束，一束激光直接通过碱金属气室23，检测陀螺光旋角信号，另一束激光进入第二光电探测器20转换为电信号反馈至第二电控单元21，第二电控单元21对其进行处理输出PID调制电压作用在第二液晶相位延迟器13上，改变其相位延迟，实现检测激光光强的稳定控制。

所述抽运激光光强稳定控制模块中的格兰棱镜7可以选用NPBS、PBS、分光玻璃片等其他具有分光特性的器件替代；检测激光光强稳定控制模块中的NPBS可以选用分光玻璃片等其他具有消偏振分光特性的器件替代。

所述经抽运激光隔离器2和检测激光隔离器12输出的激光为线偏振光。

所述抽运激光隔离器2的透光轴方向与第一检偏器5的透光轴方向垂直，第一液晶相位延迟器3的快轴与抽运激光隔离器2和第一检偏器5的透光轴方向分别成45°，构成抽运激光光强衰减器。

所述检测激光隔离器12的透光轴方向与第二检偏器15透光轴方向垂直，第二液晶相位延迟器13的快轴与检测激光隔离器12和第二检偏器15的透光轴方向分别成45°，构成检测激光光强衰减器。

所述第二λ/2波片16用于调整检测激光偏振方向与第二λ/4波片快轴方向相同；光弹相位调制器17和第二λ/4波片18快轴方向夹角为45°。

所述第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟器13上所加的控制信号为幅度为0～5V的方波电压，通过控制方波电压的幅度以控制第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟器13的相位延迟，实现光强透过率的控制。

所述第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟器13工作在线性区。

所述第一电控单元9、第二电控单元21由数字微处理器、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)组成，实现反馈信号的采集与处理和PID控制信号的输出。

本发明的原理是：激光隔离器输出的激光为线偏振光，因此激光隔离器可以看作是起偏器，由激光隔离器、液晶相位延迟器和检偏器构成激光光强衰减器，液晶相位延迟器具有电控双折射效应，通过控制加在液晶相位延迟器上的方波电压幅度可以控制液晶相位延迟器的相位延迟，实现光强透过率的控制。利用光电探测器探测分光棱镜从抽运激光和检测激光主路分出的激光，并将探测信号通过ADC模数转换器反馈到数字控制器中，数字控制器通过PID算法产生PID控制律，通过DAC数模转换器控制液晶相位延迟器的相位延迟量，实现激光光强透过率的PID闭环控制，进而实现抽运激光、检测激光光强稳定控制。特别地，在上检测激光光路，分光棱镜选用消偏分光棱镜，并置于光弹调制模块之后，不影响光弹调制模块对激光偏振方向的调制，且可以进一步抑制光弹调制器引起的激光光强波动。

本发明与现有技术相比的优点在于：利用具有电控双折射特性的液晶相位延迟器作为控制系统执行器，其具有体积小、工作电压低的特点，能够与SERF原子自旋陀螺的光路有机地结合起来，实现全光路光强稳定控制，从而抑制整个光路中光学器件的温漂特性引起的光强波动，同时电控系统采用数字电路，具有精度高、稳定性好以及参数调节方便的优点。

附图说明

图1为本发明的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统原理图；

图中：1抽运激光器，2抽运激光隔离器，3第一液晶相位延迟器，4第一反射镜，5第一检偏器，6第一λ/2波片，7格兰棱镜，8第一光电探测器，9第一电控单元，10第一λ/4波片，11检测激光器，12检测激光隔离器，13第二液晶相位延迟器，14第二反射镜，15第二检偏器，16第二λ/2波片，17光弹相位调制器，18第二λ/4波片，19NPBS分光棱镜，20第二光电探测器，21第二电控单元，22磁屏蔽桶，23碱金属气室，24电加热丝，25磁补偿线圈。

图2为本发明电控单元原理框图。

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。

如图1所示，首先将第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟器13拿掉，分别旋转第一检偏器5和第二检偏器15使得经其出射的激光光束光强最小，此时第一检偏器5和第二检偏器15的透光轴分别与抽运激光隔离器2和检测激光隔离器12的透光轴方向垂直，即处于消光状态；然后将第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟13重新安装在如图1所示的位置，分别旋转第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟13使得经第一检偏器5和第二检偏器15出射的激光光束光强最大。隔离器出射的激光为线偏振光，设其偏振方向沿x轴方向，用琼斯矢量表达为：

液晶相位延迟器快轴与x轴的夹角为θ，相位延迟量为δ，琼斯矩阵表达为：

检偏器的透光轴方向与x轴的夹角为90°，用琼斯矩阵表达为：

经过检偏器输出的光矢量E_out为：

经检偏器输出的光强大小为：

I_out＝A²sin²(δ/2)sin²(2θ)

由上式可知，在相同液晶相位延迟量δ条件下，液晶相位延迟器快轴与x轴的夹角θ等于45°时，经检偏器输出的光强最大。因此，此时第一液晶相位延迟器3和第二液晶相位延迟器13快轴方向分别与第一检偏器5、抽运激光隔离器2和第二检偏器15、检测激光隔离器12透光轴方向成45°夹角。

通过控制加在液晶相位延迟器两电极2KHz方波信号的的幅度从而控制液晶相位延迟器的相位延迟量，实现透过激光光强的衰减控制。根据液晶相位延迟器原理，液晶相位延迟器相位延迟量δ与所加方波幅度V之间的经验表达式为：

其中V_c为液晶分子开始偏转的阈值电压，且V_c、V₀、M均为正常数。当液晶驱动电压小于阈值电压V_c，液晶相位延迟器相位延迟量为δ₀(δ₀>π)；当液晶驱动电压大于阈值电压V_c并增大至半波电压V_λ/2(V_λ/2>V_c)，液晶相位延迟器相位延迟量减小为π(等价于λ/2波片)，入射在液晶相位延迟器的线偏振光被液晶旋转90°而与检偏器透光轴平行，使出射光强最大。驱动电压继续增大，液晶相位延迟量继续减小，出射光强也随之减弱。当驱动电压足够大时，液晶相位延迟量接近零，液晶出射光偏振方向与检偏器透光轴正交，出射光强最弱(消光)。

利用第一电控单元9、第二电控单元21中的微处理器、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)实现反馈信号的采集与处理，PID控制信号的输出，控制2KHz方波信号的幅度，进而实现激光光束光强的闭环PID稳定控制。

对于检测光路上的光弹调制模块，设经第二λ/2波片16出射的线偏振光沿x轴方向，用琼斯矢量表达为：

光弹调制器17的快轴方向与x轴的夹角为45°，其琼斯矩阵为：

其中δ(t)为光弹调制器被调制的相位延迟量，δ(t)＝δ₀sin(ωt)，ω为调制频率，δ₀为峰值延迟量。

第二λ/4波片18的快轴方向沿x轴方向，即与经第二λ/2波片16出射的线偏振光的偏振方向相同，其琼斯矩阵为：

则经第二λ/4波片18出射的激光的琼斯矢量为：

其光强为：

因此，光弹调制器只调制了线偏振光的偏振方向，不影响光强，因此可以使用消光偏振棱镜在光弹调制模块之后进行分光反馈。

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 (9)

1.一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：包括：由抽运激光隔离器(2)、第一液晶相位延迟器(3)、第一反射镜(4)、第一检偏器(5)、第一λ/2波片(6)、格兰棱镜(7)、第一光电探测器(8)、第一电控单元(9)构成抽运激光光强稳定控制模块；由检测激光隔离器(12)、第二液晶相位延迟器(13)、第二反射镜(14)、第二检偏器(15)、NPBS分光棱镜(19)、第二光电探测器(20)、第二电控单元(21)构成检测激光光强稳定控制模块；由第二λ/2波片(16)、光弹相位调制器(17)、第二λ/4波片(18)构成光弹调制模块，实现线偏振光方向的调制；抽运激光器(1)产生的激光光束经抽运激光隔离器(2)、第一液晶相位延迟器(3)、第一反射镜(4)、第一检偏器(5)、第一λ/2波片(6)、格兰棱镜(7)分成两束，一束经第一λ/4波片(10)变为圆偏光进入碱金属气室(23)，用于极化碱金属气室(23)中的碱金属原子及惰性气体原子，另一束进入第一光电探测器(8)转换为电信号作为抽运激光主路激光光束的反馈信号反馈至第一电控单元(9)，在第一电控单元(9)中对反馈信号进行处理输出PID控制电压作用在第一液晶相位延迟器(3)上，改变其相位延迟，实现抽运激光光强的稳定控制；检测激光器(11)产生的检测激光经检测激光隔离器(12)、第二液晶相位延迟器(13)、第二反射镜(14)、第二检偏器(15)、第二λ/2波片(16)、光弹相位调制器(17)、第二λ/4波片(18)、NPBS分光棱镜(19)分成两束，一束激光直接通过碱金属气室(23)，检测陀螺光旋角信号，另一束激光进入第二光电探测器(20)转换为电信号反馈至第二电控单元(21)，第二电控单元(21)对其进行处理输出PID控制电压作用在第二液晶相位延迟器(13)上，改变其相位延迟，实现检测激光光强的稳定控制。

2.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：所述抽运激光光强稳定控制系统中的格兰棱镜(7)可以选用NPBS、PBS、分光玻璃片等其他具有分光特性的器件替代；检测激光光强稳定控制模块中的NPBS可以选用分光玻璃片等其他具有消偏振分光特性的器件替代。

3.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：经抽运激光隔离器(2)和检测激光隔离器(12)输出的激光为线偏振光。

4.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：抽运激光隔离器(2)的透光轴方向与第一检偏器(5)的透光轴方向垂直，第一液晶相位延迟器(3)的快轴与抽运激光隔离器(2)和第一检偏器(5)的透光轴方向分别成45°，构成抽运激光光强衰减器。

5.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：检测激光隔离器(12)的透光轴方向与第二检偏器(15)透光轴方向垂直，第二液晶相位延迟器(13)的快轴与检测激光隔离器(12)和第二检偏器(15)的透光轴方向分别成45°，构成检测激光光强衰减器。

6.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：第二λ/2波片(16)用于调整检测激光偏振方向与第二λ/4波片快轴方向相同；光弹相位调制器(17)和第二λ/4波片(18)快轴方向夹角为45°。

7.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：第一液晶相位延迟器(3)和第二液晶相位延迟器(13)上所加的控制信号为幅度为0～5V的方波电压，通过控制方波电压的幅度以控制第一液晶相位延迟器(3)和第二液晶相位延迟器(13)的相位延迟，从而实现光强透过率的控制。

8.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制系统，其特征在于：控制第一液晶相位延迟器(3)和第二液晶相位延迟器(13)上所加的控制信号的幅度使其工作在线性区。

9.根据权利要求1所述的一种SERF原子自旋陀螺全光路光强稳定控制方法，其特征在于：第一电控单元(9)、第二电控单元(21)由数字微处理器、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)组成，实现反馈信号的采集与处理和PID控制信号的输出。