CN108613670B - 一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法。该发明所述的装置由光学系统和电路系统两部分构成，两部分通过电线连接。光学系统包含温度传感器、加热片、原子气室和光电探测器，电路系统包含温控系统和信号处理系统。该发明克服了原有原子自旋陀螺探测激光无法利用原子气室中碱金属吸收峰稳频的缺点，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置及方法。
背景技术
近年来，原子自旋陀螺技术发展迅速，而大部分原子自旋陀螺是基于半导体激光器作为光源系统，并且需要泵浦激光和探测激光两个激光器。为了稳定的激光频率输出需要对激光频率进行闭环控制，通常泵浦激光的频率稳定技术利用原子自旋陀螺中的原子气室碱金属吸收峰进行线性稳频或者饱和吸收稳频。然而对于探测激光，无法利用原子自旋陀螺内原子气室的碱金属吸收峰进行探测激光频率闭环控制，因此频率稳定通常难以实现：例如核磁共振陀螺仪和SERF陀螺仪，探测激光利用法拉第磁致旋光效应测量原子气室中原子自旋的进动信号，探测激光为线偏振光，探测原子自旋进动信号S的大小与探测激光的频率有关，其关系为
其中ν为探测激光的频率，νD为原子气室的吸收峰对应的频率，ΓD为吸收峰的宽度。由上式看到，利用法拉第磁致旋光效应，当探测激光的频率在吸收峰时，探测信号为零。为探测原子自旋进动信号，需要将探测激光频率偏离吸收峰几个GHz，并将激光频率稳定在固定值处。
同时，碱金属吸收峰并不是固定的，其位置和宽度都与原子气室内部的气体种类及压强有关。例如Rb(铷)的D1线吸收峰位置移动随N2压强的关系为-8.25GHz/amg，宽度随N2压强的关系为17.8GHz/amg，因而不同气压的原子气室具有不同的碱金属原子吸收峰。
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，提供了一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置及方法，利用一个新的原子气室，构成一套探测激光稳频系统，实现探测激光频率的锁定，同时保证原子自旋陀螺内原子进动信号不为零，克服了原有系统中原子气室无法实现探测激光稳频的缺点。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，包括光学系统和电路系统；光学系统包括稳频探测激光、稳频原子气室、光电探测器；电路系统包括信号处理电路；
稳频原子气室的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置偏离一个设定值；
光电探测器用于探测经过稳频原子气室后的稳频探测激光信号，然后将稳频探测激光信号输出给信号处理电路；
信号处理电路根据光电探测器输入的稳频探测激光信号，输出反馈信号给外部的探测激光器，使探测激光器输出稳频激光。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，光学系统还包括温度传感器、加热装置，电路系统还包括温度控制电路；
温度传感器用于测量稳频原子气室的温度，然后测量的温度输出给温度控制电路；
加热装置根据温度控制电路的控制信号对稳频原子气室进行加热；
温度控制电路根据温度传感器测量的温度，输出控制信号给加热装置，用于保持稳频原子气室的温度稳定在固定值处。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，温度传感器紧贴稳频原子气室安装。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，所述稳频原子气室内充入碱金属和缓冲气体与原子自旋陀螺中原子气室内充入碱金属和缓冲气体均相同，稳频原子气室内的气体压强与原子自旋陀螺中原子气室内的气体压强相差一个设定值。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，所述稳频原子气室和原子自旋陀螺中原子气室内充入的缓冲气体均为N2。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，所述加热装置为无磁加热片。
一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，包括如下步骤：
步骤101、探测激光器输出的光，通过分束棱镜分出一束作为稳频探测激光；
步骤102、稳频探测激光穿过稳频原子气室后，光电探测器探测稳频探测激光的光信号，然后将光信号转换为电流信号；稳频原子气室的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺原子气室的碱金属吸收峰位置偏离一个设定值；
步骤103、光电探测器输出电流信号给信号处理电路，信号处理电路将电流信号转换为电压信号，信号处理电路根据电压信号和预设电压信号的差值，输出反馈信号给探测激光器，实现探测激光器输出的激光频率控制。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，
采用温度控制电路保持稳频原子气室的温度稳定在固定值处，温度控制电路根据温度传感器测量的温度，和，稳频原子气室的预设温度的差值，输出控制信号给加热装置，加热装置加热稳频原子气室，使稳频原子气室的温度达到预设温度。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，所述稳频原子气室的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置偏离一个设定值，采用稳频原子气室内与原子自旋陀螺中原子气室内充入相同的碱金属、相同的缓冲气体且缓冲气体的压强相差一个设定值，设定值根据吸收峰偏离值确定。
上述用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，所述信号处理电路采用负反馈电路形式输出反馈信号给探测激光器；所述温度控制电路采用负反馈电路形式输出反馈信号给加热装置。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明利用一个新的原子气室，构成一套探测激光稳频系统，可在陀螺内部实现探测激光器的吸收峰方式稳频；
(2)本发明利用一个新的原子气室进行探测激光稳频，可实现100MHz内稳频，现有探测激光器稳频技术主要通过控制激光管温度和电流实现只能达到GHz水平稳频；
(3)本发明利用新的原子气室进行激光稳频，实现了激光稳频与激光信号的探测分离，不会对原有原子自旋陀螺内原子自旋信号产生干扰；
(4)本发明采用的稳频方法简单，即通过一个新的原子气室，不需要复杂仪器；
(5)本发明新增的原子气室，通过温度传感器、加热片和温度控制电路的配合，能够准确控制新增原子气室的气体压强，进一步提高探测激光的稳频精度。
附图说明
图1为本发明探测激光稳频装置组成示意图；
图2为本发明用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法的步骤流程图。
附图标记说明
1 温度传感器
2 稳频原子气室
3 加热装置
4 光电探测器
5 温度控制电路
6 信号处理电路
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明利用一个新的稳频原子气室2，构成一套探测激光稳频系统，实现探测激光频率的锁定，同时保证原子自旋陀螺内原子进动信号不为零，克服了现有技术中原子自旋陀螺内原子气室无法实现探测激光稳频的缺点。
本发明的实现原理为：由探测激光中分出一束稳频探测激光，稳频探测激光穿过新的稳频原子气室2。与原子自旋陀螺中的原子气室相比，稳频原子气室2为气压不同的碱金属原子气室，因此稳频原子气室2的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置不同。当稳频原子气室2的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置相差所需频率时，则可利用稳频原子气室2的吸收峰稳频实现探测激光的频率稳定控制，同时保证了探测激光穿过原子自旋陀螺中原子气室时得到的原子自旋进动信号不为零。
本发明利用原子气室气压影响碱金属吸收峰的位置，在稳频原子气室2中充入与原子自旋陀螺中原子气室不同的气压，使稳频原子气室2碱金属吸收峰与原子自旋陀螺中原子气室碱金属吸收峰相差所需频率，通常为几个GHz，实现探测激光器的频率稳定控制。
一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，其组成示意图见图1。包括光学系统和电路系统；光学系统包括稳频探测激光、温度传感器1、稳频原子气室2、加热装置3和光电探测器4；电路系统包括温度控制电路5和信号处理电路6。
温度传感器1用于测量稳频原子气室2的温度，然后测量的温度输出给温度控制电路5。本实施例中，温度传感器1紧贴稳频原子气室2安装。
稳频原子气室2内充入与原子自旋陀螺中原子气室相同的碱金属和缓冲气体，但充入的气体压强与原子自旋陀螺中原子气室的气体压强不同，保证稳频原子气室2碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置的偏离值满足预期要求。本实施例中，稳频原子气室2和原子自旋陀螺中原子气室内均充入N2，稳频原子气室2和原子自旋陀螺中原子气室的气压差值为设定值。此设定值通过改变稳频原子气室中N2压强实现，该设定值的计算方法为：
Δν＝-8.25ΔP
其中，Δν为两个气室内碱金属吸收峰频率差，以GHz为单位；ΔP为两个气室内压强差，以标准大气压为单位。
本实施例中，加热装置3为无磁加热片。加热装置3根据温度控制电路5的控制信号对稳频原子气室2进行加热，使得稳频原子气室2的碱金属吸收峰更加尖锐，提高稳频信号对比度，保证探测激光的频率精度。
光电探测器4用于探测经过稳频原子气室2后的光信号，并将其转换为电流信号，然后光电探测器4输出电流信号给信号处理电路6。本实施例中，稳频探测激光位于稳频原子气室2的一侧；光电探测器4位于稳频原子气室2的另一侧，与稳频探测激光相对。
温度控制电路5用于保持稳频原子气室2的温度稳定在固定值处，温度控制电路5根据温度传感器1测量的温度和稳频原子气室2的预设温度的差值，可采用负反馈或其他反馈电路形式进行温度控制，温度控制电路5输出控制信号给加热装置3。本实施例中，温度控制电路5输出电流信号给加热装置3，以保证稳频原子气室2的温度达到预设温度。
信号处理电路6将光电探测器4的电流信号转变为电压信号，然后进行滤波、放大，信号处理电路6根据电压信号和预设电压信号的差值，通过负反馈或其他反馈电路形式将反馈信号输入到探测激光器，实现探测激光器输出的激光频率控制。
一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，其原理是：制备专门用于稳频的稳频原子气室2，稳频原子气室2的碱金属与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属同类，但是稳频原子气室2内的缓冲气体压强与原子自旋陀螺内原子气室的气体压强相差一个设定值，此设定值通过改变稳频原子气室中气体压强实现。利用加热装置3对稳频原子气室2加热，使得稳频原子气室2的吸收峰信号增强，利用温度传感器1测量稳频原子气室2的温度，利用温度控制电路5实现稳频原子气室2的温度稳定控制。通过光电探测器4将穿过稳频原子气室2的光信号转换为电流信号，并通过信号处理电路6获得稳频原子气室2中碱金属的光谱信号，通过反馈信号锁定探测激光的频率，实现探测激光的频率锁定位置与原子自旋陀螺中原子气室所需的探测激光频率符合。
用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法如图2所示，包括如下步骤：
步骤101、探测激光器输出的光，通过分束棱镜分出一束作为稳频探测激光；
步骤102、稳频探测激光穿过稳频原子气室2后，光电探测器4探测稳频探测激光的光信号，然后将光信号转换为电流信号；
步骤103、探测器4输出电流信号给信号处理电路6，信号处理电路6将电流信号转换为电压信号，此电压信号即为光谱信号，信号处理电路6根据电压信号和预设电压信号的差值，输出反馈信号给探测激光器，实现探测激光器输出的激光频率控制。
同时，利用温度传感器1将稳频原子气室2的温度输出给温度控制电路5，温度控制电路5控制加热装置3对稳频原子气室2进行加热，即温度控制电路5对稳频原子气室2的温度进行稳定控制。
本发明可应用于核磁共振陀螺仪、SERF陀螺仪、原子磁力仪等原子仪表中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，其特征在于：包括光学系统和电路系统；光学系统包括稳频探测激光、稳频原子气室(2)、光电探测器(4)；电路系统包括信号处理电路(6)；
所述稳频原子气室(2)内充入碱金属和缓冲气体，与原子自旋陀螺中原子气室内充入的碱金属和缓冲气体均相同，稳频原子气室(2)内的气体压强与原子自旋陀螺中原子气室内的气体压强相差一个设定值；稳频原子气室(2)的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺中原子气室的碱金属吸收峰位置偏离一个设定值；
光电探测器(4)用于探测经过稳频原子气室(2)后的稳频探测激光信号，然后将稳频探测激光信号输出给信号处理电路(6)；
信号处理电路(6)根据光电探测器(4)输入的稳频探测激光信号，输出反馈信号给外部的探测激光器，使探测激光器输出稳频激光；
光学系统还包括温度传感器(1)、加热装置(3)，电路系统还包括温度控制电路(5)；
温度传感器(1)用于测量稳频原子气室(2)的温度，然后测量的温度输出给温度控制电路(5)；
加热装置(3)根据温度控制电路(5)的控制信号对稳频原子气室(2)进行加热；
温度控制电路(5)根据温度传感器(1)测量的温度，输出控制信号给加热装置(3)，用于保持稳频原子气室(2)的温度稳定在固定值处。
2.根据权利要求1所述的一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，其特征在于：温度传感器(1)紧贴稳频原子气室(2)安装。
3.根据权利要求1所述的一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，其特征在于：所述稳频原子气室(2)和原子自旋陀螺中原子气室内充入的缓冲气体均为N2。
4.根据权利要求1所述的一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频装置，其特征在于：所述加热装置(3)为无磁加热片。
5.一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤101、探测激光器输出的光，通过分束棱镜分出一束作为稳频探测激光；
步骤102、稳频探测激光穿过稳频原子气室(2)后，光电探测器(4)探测稳频探测激光的光信号，然后将光信号转换为电流信号；稳频原子气室(2)的碱金属吸收峰位置与原子自旋陀螺原子气室的碱金属吸收峰位置偏离一个设定值；采用稳频原子气室(2)内与原子自旋陀螺中原子气室内充入相同的碱金属、相同的缓冲气体且缓冲气体的压强相差一个设定值，设定值根据吸收峰偏离值确定；
采用温度控制电路(5)保持稳频原子气室(2)的温度稳定在固定值处，温度控制电路(5)根据温度传感器(1)测量的温度和稳频原子气室(2)的预设温度的差值，输出控制信号给加热装置(3)，加热装置(3)加热稳频原子气室(2)，使稳频原子气室(2)的温度达到预设温度；
步骤103、光电探测器(4)输出电流信号给信号处理电路(6)，信号处理电路(6)将电流信号转换为电压信号，信号处理电路(6)根据电压信号和预设电压信号的差值，输出反馈信号给探测激光器，实现探测激光器输出的激光频率控制。
6.根据权利要求5所述的一种用于原子自旋陀螺的探测激光稳频方法，其特征在于：所述信号处理电路(6)采用负反馈电路形式输出反馈信号给探测激光器；所述温度控制电路(5)采用负反馈电路形式输出反馈信号给加热装置(3)。
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