CN109631959B - 基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号抗干扰能力优化方法。该方法从环境温度干扰抑制、提高基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号稳定性的角度出发，进行基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号环境抗干扰性能的优化，最终实现对基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的环境温度不敏感的信号稳定输出。该方法通过同时采集系统输出的基频和二倍频信号，将两路信号进行相除运算，获得系统对环境温度不敏感的输出量，该输出量可以排除环境温度带来的系统光损耗的影响。此方法的应用，可有效的提高基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及子原子自旋进动的测量与优化领域。特别是一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号抗干扰能力的优化方法。
背景技术
目前，基于原子自旋效应的传感器具有超高灵敏特性，在基础物理研究，生物医学，地磁导航等领域均具有良好的发展前景。美国普林斯顿大学Romalis小组研制的基于原子自旋效应的SERF磁强计已经实现0.16fT/Hz1/2的磁场测量灵敏度。基于原子自旋效应的传感器是通过测量原子自旋进动信号来实现传感的。以原子磁强计为例介绍其原理，通过一束抽运激光使原子自旋具有宏观指向，这时，原子自旋的极化方向对磁场敏感，用原子自旋进动角表征原子自旋进动信号，所谓自旋进动角即原子自旋的宏观指向与抽运光方向的夹角，这个角度与待测信号，如磁场或者惯性信号成正比，利用一束检测光平行或者垂直于抽运光方向，将原子自旋进动信号转化为光信号，再通过检测电路即可解调出原子自旋进动角。
现有的检测方法是基于偏振消光原理的旋光法测量，利用起偏和检偏器测量原子自旋进动信号敏感表头的旋光度实现原子自旋进动角测量，测量的表头旋光度与原子自旋进动角成正比，所测得的光旋度乘以一个刻度系数，即可获得原子自旋进动角。
这种方法测量原子自旋进动信号原理简单，但是依赖于光强稳定性，并且采用分立元件的光路对外界环境敏感，受低频噪声影响较大，虽然加入法拉第调制或者PEM调制会改善其噪声影响，但是加入调制器系统结构较复杂，同时控制调制器还需要额外的温控装置。
在原子自旋进动检测方法中，提高系统的稳定性和环境抗干扰能力是研究中所需解决的问题。一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的出现能够有效的解决了原子自旋进动检测装置稳定性和环境抗干扰能力的问题。基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置具有互易性的光路，能够从结构上抑制环境中的共模噪声，尤其是互易型的噪声。但是对于如环境温度的扰动带来的光强损耗的不稳定性并无法通过互易性光路结构完全消除。 2005年，K.Bohnert采用闭环控制的方法虽然隔离光强扰动对光纤电流互感器信号的影响，但是与原子自旋进动检测不同的是，测量对象是直流信号；在本系统中，采用闭环控制不仅需要复杂的系统进行跟踪反馈，也难以实现不同频率信号的跟踪，因此如何解决这部分温度扰动的问题是目前的技术难点。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号环境抗干扰能力的优化方法。通过同时采集系统输出的基频和二倍频信号，将信号进行相除运算，输出的信号能大大提高系统环境抗干扰能力。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于：该装置包括超发光二极管(Superluminescent Diode,SLD)光源、光纤环形器、光纤起偏器、光纤相位调制器、光纤准直器、1/4波片、碱金属气室、反射镜、光电探测器、锁相放大器、信号处理模块，其中：
超发光二极管发出频率范围覆盖原子D1和D2线的低相干光，光经过光纤环形器和起偏器变成线偏振光，线偏振光经过光纤起偏器和光纤相位调制器相连接的45°熔点，产生两束线偏振光，分别沿光纤相位调制器的快轴和慢轴传输并产生相位调制，再经过保偏光纤延迟线进行延时，经过光纤准直器变为空间光；在空间光路中，两束线偏振光经过光轴与保偏光纤快轴成45°角的1/4波片后，原来沿保偏光纤快轴传输的线偏振光变为左旋圆偏振光，原来沿慢轴传输的线偏振光变成右旋圆偏振光；两束圆偏振光经过极化的碱金属气室产生原子自旋进动信号，再经过反射镜发生垂直反射；此时，左旋圆偏振光变成右旋圆偏振光，右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光；偏振态互换后，两束光按照原路返回，再次经过极化的碱金属气室后使原子自旋进动信号加倍；再次经过1/4波片后，变换后的右旋圆偏振光变成沿保偏光纤慢轴传输的线偏振光，变换后的左旋圆偏振光变为沿保偏光纤快轴传输的线偏振光；这时，两束光经历了完全一样的光程，一束光的光程为：光纤相位调制器快轴-保偏光纤快轴-1/4波片-极化的碱金属气室-反射镜-极化的碱金属气室-1/4波片-保偏光纤慢轴-光纤相位调制器慢轴，另一束光的光程为：光纤相位调制器慢轴-保偏光纤慢轴-1/4波片-极化的碱金属气室-反射镜-极化的碱金属气室-1/4波片-保偏光纤快轴-光纤相位调制器快轴；两束光当再次经过光纤起偏器时发生干涉，干涉输出信号进入锁相放大器进行基频和二倍频信号的采集，采集后的信号进入信号处理模块进行相除运算，最终输出对环境温度干扰不敏感的信号。
本发明一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置进行信号抗干扰的优化方法，包括以下步骤：同步采集基频和二倍频信号、基频和二倍频信号进行相除运算、最终输出抗干扰信号，具体操作步骤为：
(1)优化基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的输出，保证基于光纤Sagnac 干涉的原子自旋进动检测工作在本征频率和最优调制幅度上。基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置输出的一次谐波分量Iout(把一次谐波称为基频，二次谐波称为二倍频) 如公式(1)所示：
Iout＝4KI0θJ1[2Vrsin(ωτ/2)]sin(ωτ/2)
其中，K为光电探测器光电转换系数，I0为基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的初始光强，θ为待测的原子自旋进动信号，Vr是相位调制器的调制深度，ω是相位调制器的调制角频率，
是光在基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测中往返传输一次的延时，t是时间；J1为一阶Bessel函数，因此当2Vr sin(ωτ/2)＝1.8rad，J1(1.8)＝0.53时，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测具有最大信号。根据公式(1),sin(ωτ/2)是由相干检测中系统延时产生的调制误差信号，当基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置工作在本征频率
时调制误差最小；此时若要2Vr sin(ωτ/2)＝1.8rad，需保证φm＝0.9rad。
(2)基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测利用相干检测解调原子自旋进动信号。利用信号发生器驱动相位调制器时，同步输出参考信号输入锁相放大器进行相干检测，输出系统的一次和二次谐波信号进行同步数据采集。
(3)将一次和二次谐波信号进行相除运算后，得到与温度扰动无关的原子自旋进动信号。
所述光源的谱宽需要覆盖碱金属原子D1和D2线，经过大量反复研究和试验在3THz到20THz范围最合适。
所述光纤准直器的焦距满足光斑尺寸需求，光斑的尺寸需要覆盖整个碱金属气室，实现最多的光与原子相互作用，增强原子自旋进动信号。
所述基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测两次经过碱金属气室，原子自旋进动信号加倍，可以有效提高系统的刻度系数。
所述1/4波片和反射镜共同构成了线偏振光的模式互换模块，将导致原来沿相位调制器和保偏光纤快轴传输的E1在反射后进入了保偏光纤和相位调制器的慢轴，反之亦然，原来沿相位调制器和保偏光纤慢轴传输的E2在反射后进入了保偏光纤和相位调制器的快轴；整个过程E1和E2经历的光学元器件和光路完全一致，只是顺序对调，干涉后环境带来的共模噪声和误差完全抵消，实现了温度抗干扰的优化。
本发明原理在于：基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的基频输出和二倍频输出对环境敏感的特性相同，主要是受环境温度影响而造成的光强损耗的改变；基频信号和二倍频信号均与光强成线性关系，因此通过将基频信号和二倍频信号进行相除运算，能够得到对环境温度影响不敏感的原子自旋进动检测信号。
本发明的优点在于：
(1)本发明基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置本身具有互易性光路，能够本质上抵消环境温度带来的互易性噪声和误差。
(2)本发明基的信号环境抗干扰能力优化方法消除的是环境温度干扰带来的噪声和误差的影响，进一步提高原子自旋进动检测的精度和稳定性。
(3)本发明的信号环境抗干扰能力优化方法的操作过程中，只需要额外加入一个锁相环和采集通道采集二倍频信号，不需借助外部仪器测量，较为方便。
(4)通过同时采集光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的基频和二倍频信号，经过相除运算处理即可得到对环境干扰不敏感的输出信号，是一种快速准确的方法。
附图说明
图1为本发明的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置结构图，其中，1为宽谱光源，2为光纤环形器，3为光纤起偏器，4为45°熔点，5为光纤相位调制器，6为保偏光纤延迟线，7为光纤准直器，8为1/4波片，9为极化的碱金属气室，10为反射镜，11为光电探测器，12为锁相放大器，13为信号处理单元；
图2为本发明的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置信号环境抗干扰能力优化流程图；
图3为本发明的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置互易性原理图。
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，本发明的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，包括：宽谱光源1、光纤环形器2、光纤起偏器3、45°熔点4、光纤相位调制器5、保偏光纤延迟线6、光纤准直器7、1/4波片8、极化碱金属气室9、反射镜10、光电探测器11、锁相放大器12、信号处理单元13。
宽谱光源1选取功率20mW左右，频宽20THz，频率覆盖碱金属原子D1和D2线的宽谱光经过光纤环形器2和光纤起偏器3产生线偏振光，经过45°熔接点4产生偏振方向沿水平和竖直的两束线偏振光；两束偏振光分别经过光纤相位调制器5的快轴和慢轴，产生相位调制，并对应地在保偏光纤延迟线6快轴和慢轴中传输；两束光经过光纤准直器7进入空间光路，再经过其快轴与水平方向成45°的1/4波片8变成左旋和右旋圆偏振光，左旋和右旋圆偏振光进入极化的碱金属气室9进行原子自旋进动检测，再经过反射镜10后发生偏振态的互换，并沿原路返回，在回到光纤起偏器3时发生干涉，并进入光电探测器11实现光电转换，得到的电信号经过锁相放大器12提取基频频和二倍频信号，再进入信号处理模块13 实现信号相除运算，最终输出对环境温度干扰不敏感的信号。
如图2所示，本发明的一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置进行信号抗干扰的优化方法，包括：采集系统输出的原子自旋进动信号的基频信号和二倍频信号，将两路信号进行运算处理得到对环境温度干扰不敏感的原子自旋进动信号，具体操作步骤为：
(1)同步采集系统一倍频和二倍频信号；
(2)将一倍频和二倍频相除得到不敏感信号；
其中，解决的是原子自旋进动检测装置受环境干扰不稳定的问题，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置具有互易性光路，能够提高环境抗干扰能力，但环境温度对系统产生的干扰具有非互易特性，该方法能够解决这一系统特有的问题。
其中，检测光两次经过气室，原子自旋进动信号加倍。
其中，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动装置具有互易性光路，能够本质上抵消环境温度带来的互易性误差和噪声。
其中，通过简单的将一倍频和二倍频信号相除运算，即可消除除了互易性噪声和误差以外，环境温度带来的干扰。
宽谱光源功率20mW左右，频宽取3THz到20THz范围左右，频率需覆盖碱金属原子D1和D2线，频率带宽决定了原子自旋进动信号θ的大小，其具体关系为：
其中，光源的频率范围从ν1到ν2，l是碱金属气室的尺寸，re是电子经典半径，n是气室中碱金属密度，c是真空中光速，fD1是碱金属原子与光子在原子D1线的共振强度，DD1(ν)和DD2(v)是原子在D1线和D2线处的色散函数，P0是碱金属系综的极化率，γe是电子的旋磁比，Rtot是碱金属原子系综总弛豫率大小，By是y方向上的环境磁场强度，ν是检测光频率。
检测光在经过光纤准直器(7)进入空间光路，光斑大小决定着信号的强度。原子自旋进动信号的大小与
成正比。其中，n是碱金属气室中的原子数密度，V是检测光与原子相互作用的体积。因此，为了能测到更加微弱的信号，在碱金属原子密度一定的情况下，需要增加光斑大小与更多原子相互作用。在这里，认为光斑大小匹配碱金属气室的尺寸为最优；因此，需要设计光纤准直器的焦距满足光斑尺寸需求，焦距与光斑尺寸的关系为：
为了保证装置在最佳工作状态，需要优化系统工作在本征频率和最优调制幅度上。系统输出的一次谐波分量(把一次谐波称为基频，二次谐波称为二倍频)如公式(1)所示：
Iout＝4KI0θJ1[2Vrsin(ωτ/2)]sin(ωτ/2)
其中，K为光电探测器光电转换系数，I0为系统的初始光强，θ为待测的原子自旋进动信号，Vr是相位调制器的调制深度，ω是相位调制器的调制角频率，
是光在系统中往返传输一次的延时，t是时间；J1为一阶Bessel函数，因此当2Vr sin(ωτ/2)＝1.8rad， J1(1.8)＝0.53时，基频信号最大。而式中sin(ωτ/2)是由相干检测中系统延时产生的调制误差信号，当装置工作在本征频率
时调制误差最小；此时若要2Vr sin(ωτ/2)＝1.8rad，需保证φm＝0.9rad。经过优化后，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的基信号优化为：
Iω＝4KI0θVrsin(ωτ/2)
基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的二倍频输出I2ω为：
系统优化信号提取的方法为：利用信号发生器驱动相位调制器时，同步输出参考信号输入锁相放大器进行相干检测，输出系统的一次和二次谐波信号进行同步数据采集。将一次和二次谐波信号进行相除运算后，系统输出为：
由上式可知系统的输出只与光纤相位调制器的调制深度有关，与光强无关，因此最终得到与温度扰动无关的原子自旋进动信号。
基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置具有互易性，可以抵消由环境温度带来的互易性噪声和误差。基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置光路互易性原理如图3 所示。入射光Ein入射起偏器产生线偏振光。线偏振光在起偏器和相位调制器的尾纤45°熔点处激发成两个线偏振光。其中，沿相位调制器快轴传输的光定义为E1，沿相位调制器慢轴传输的光定义为E2，E1和E2自产生至离开系统光路进入光电探测器为止，两束光的光程保持一致，利用相干检测能够抵消由环境温度带来的互易性噪声和误差。
光路两次经过碱金属气室，原子自旋进动信号加倍。定义相位调制器的慢轴沿水平方向，快轴沿竖直方向；E1和E2在经过相位调制器和保偏光纤后进入1/4波片，其快轴与保偏光纤和相位调制器的快轴成45°角，使得E1和E2分别由竖直和水平方向的线偏振光变为左旋和右旋圆偏振光。两束圆偏振光经过反射镜后，左旋光变为右旋光，右旋光变成左旋光，而E1和E2相对碱金属气室的旋向不变，因此两束光在两次经过碱金属气室后，原子自旋进动信号加倍。
1/4波片和反射镜共同构成了线偏振光的模式互换模块；由于本发明采用了反射式结构， E1和E2两次经过1/4波片，产生的效果是E1和E2的偏振态旋转90°；这将导致原来沿相位调制器和保偏光纤快轴传输的E1在反射后进入了保偏光纤和相位调制器的慢轴；同样的，原来沿相位调制器和保偏光纤慢轴传输的E2在反射后进入了保偏光纤和相位调制器的快轴；整个过程经历的光学元器件和光路与E1完全一致，只是顺序对调，因此在对时间不敏感的噪声和误差对E1和E2完全相同，这里定义这些噪声和误差为互易性的；因此，在第二次回到起偏器处，E1和E2发生干涉，干涉后互易性的噪声和误差完全抵消，这就初步实现了温度抗干扰的优化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于，包括：宽谱光源(1)、光纤环形器(2)、光纤起偏器(3)、光纤起偏器和光纤相位调制器的尾纤45°熔点即45°熔点(4)、光纤相位调制器(5)、保偏光纤延迟线(6)、光纤准直器(7)、1/4波片(8)、极化的碱金属气室(9)、反射镜(10)、光电探测器(11)、锁相放大器(12)和信号处理模块(13)，其中：
宽谱光源(1)输出具有的频率覆盖碱金属原子D1和D2线的宽谱光经过光纤环形器(2)和光纤起偏器(3)产生线偏振光，经过45°熔点(4)产生偏振方向沿水平和竖直的两束线偏振光E1和E2；两束线偏振光分别经过光纤相位调制器(5)的快轴和慢轴，产生相位调制，并对应地在保偏光纤延迟线(6)快轴和慢轴中传输；两束光经过光纤准直器(7)进入空间光路，再经过其快轴与水平方向成45°的1/4波片(8)变成左旋和右旋圆偏振光，左旋和右旋圆偏振光进入极化的碱金属气室(9)进行原子自旋进动检测，再经过反射镜(10)后发生偏振态的互换，并沿原路返回，在回到光纤起偏器(3)时发生干涉，并进入光电探测器(11)实现光电转换，得到的电信号经过锁相放大器(12)提取基频和二倍频信号，再进入信号处理模块(13)实现信号相除运算，最终输出对环境温度干扰不敏感的信号。
2.根据权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于：宽谱光源的谱宽需要覆盖碱金属原子D1和D2线，宽谱光源范围为3THz-20THz。
3.根据权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于：所述光纤准直器(7)的焦距满足光斑尺寸需求，光斑的尺寸需要覆盖整个碱金属气室，实现最多的光与原子相互作用，增强原子自旋进动信号。
4.根据权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于：所述装置中宽谱光源发出的光两次经过碱金属气室(9)，原子自旋进动信号加倍，有效提高了装置刻度系数。
5.根据权利要求1所述的基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置，其特征在于：所述1/4波片(8)和反射镜(10)共同构成了线偏振光的模式互换模块，将导致原来沿相位调制器和保偏光纤延迟线快轴传输的E1在反射后进入了保偏光纤延迟线和相位调制器的慢轴，原来沿相位调制器和保偏光纤延迟线慢轴传输的E2在反射后进入了保偏光纤延迟线和相位调制器的快轴；整个过程E1和E2经历的光学元器件和光路完全一致，只是顺序对调，干涉后环境带来的共模噪声和误差完全抵消，实现了温度抗干扰的优化。
6.一种基于权利要求1所述基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置进行信号抗干扰能力优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)优化基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置的输出，保证基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置工作在本征频率和最优调制幅度上，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置输出的基频信号Iout，如公式(1)所示：
Iout＝4KI0θJ1[2Vrsin(ωτ/2)]sin(ωτ/2)
其中，K为光电探测器光电转换系数，I0为装置的初始光强，θ为待测的原子自旋进动信号，Vr是相位调制器的调制深度，ω是相位调制器的调制角频率，
是光在基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置中往返传输一次的延时，l是碱金属气室的尺寸，n是气室中碱金属密度，c是真空中光速；J1为一阶Bessel函数，当2Vrsin(ωτ/2)＝1.8rad，J1(1.8)＝0.53时，基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置具有最大信号，根据公式(1),sin(ωτ/2)是由相干检测中装置延时产生的调制误差信号，当基于光纤Sagnac干涉的原子自旋进动检测装置工作在本征频率
时调制误差最小，此时若要2Vrsin(ωτ/2)＝1.8rad，保证Vr＝0.9rad；
(2)利用相干检测解调原子自旋进动信号，利用信号发生器驱动相位调制器时，信号发生器同步输出参考信号输入锁相放大器进行相干检测，输出基频和二倍频信号进行同步数据采集；
(3)将基频和二倍频信号进行相除运算后，得到与温度干扰无关的原子自旋进动信号。
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