CN109737945B - 一种用于serf陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统及方法 - Google Patents
一种用于serf陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于SERF陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统及方法。SERF陀螺仪信号检测通常为对经过碱金属气室线偏振光光旋角的检测。在使用电光调制器实现光旋角信号调制检测过程中，需要对电光调制器和λ/4波片装配角度精确的满足一定要求。本发明通过设计正交双λ/4波片耦合电光调制器光路，实现对探测光光旋角的调制检测，保证光旋角检测信号的信噪比。解决了调制光路中电光调制器和λ/4波片装配方位角精确控制以及探测光解调信号零位工作点调整的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于SERF陀螺仪探测光调制检测系统及方法，属于陀螺仪信号检测技术领域。
背景技术
SERF陀螺仪是利用电子自旋定轴性敏感载体转动信息。其中一个重要技术就是对碱金属原子的电子自旋转动信号进行检测，而自旋转动的检测可反映为对线偏振光的光旋角检测。为了提高检测信号的信噪比，SERF陀螺仪信号可使用电光调制技术进行检测。但是通常使用诸如电光调制器、普克尔盒、光弹调制器等器件实现偏振方向调制时，调制器件装配的方位角会对调制结果造成影响。这对SERF陀螺仪小型化装配增加了一定难度。
另一方面，如需对解调后的检测信号零值工作点进行调整时，需要对调制器以及波片的装配方位角分别进行调整。这给SERF陀螺仪调制检测技术在工程化应用以及装配调试过程中带来极大的困难。本发明就是针对这一问题，实现了一种SERF陀螺仪小型化工程样机探测光调制检测技术，消除调制器安装方位角对调制结果的影响，简化对调制检测光路的装配与调试。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出了一种用于SERF陀螺仪探测光调制检测系统及方法，采用小型化设计，实现在SERF陀螺仪探测光调制检测中消除调制器方位角对调制结果的影响，从而起到简化调制检测光路装配和调试的目的。
本发明所采用的技术方案为：
一种用于SERF陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统，包括：激光器、λ/2波片、功率稳定器、第一λ/4波片、电光调制器5、第二λ/4波片6、碱金属气室7、检偏器8以及光电探测器9；
激光器1输出的激光通过λ/2波片2调整激光的偏振面方向，使得激光与功率稳定器3正常工作状态时对输入激光偏振面的要求相匹配；通过功率稳定器3对激光功率进行调节，调节后的激光依次通过第一λ/4波片4、电光调制器5和第二λ/4波片6之后，进入碱金属气室7；电光调制器5用于对激光的偏振面进行调制，第一λ/4波片4和第二λ/4波片6为正交关系；激光经过碱金属气室7后，SERF陀螺仪的探测光信号加载在激光上输出，经过检偏器8之后最终通过光电探测器9进行采集；采集后的信号通过锁相放大器进行解调，输出陀螺仪探测光信号，同时，锁相放大器还产生调制信号，控制驱动电源为电光调制器5供电。
所述激光器1为795nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器。
所述激光器1输出的激光为线偏振光。
通过功率稳定器3的激光功率设置在30-40mW之间，激光功率稳定度优于0.5％。
第一λ/4波片4、第二λ/4波片6与激光偏振面的夹角分别为正45°和负45°。
检偏器8用于检测激光的偏振情况，检偏器8的偏振方向和通过功率稳定器3的激光正交。
通过调节驱动电源输出给电光调制器5信号中直流分量，实现锁相放大器解调后输出的SERF陀螺仪探测光信号的零值工作点的调整。
一种根据所述检测系统实现的检测方法，步骤如下：
步骤一：通过稳定恒流源和温度控制器驱动，作为探测光光源的激光器输出激光，输出的激光通过λ/2波片调整线偏振光偏振面方向，使激光满足功率稳定器正常工作状态时对输入激光偏振面的要求；
步骤二：通过功率稳定器3的激光分别通过与激光偏振面夹角正45°的第一λ/4波片4和负45°的第二λ/4波片6，使入射激光偏振态不发生改变；
步骤三：将电光调制器5放置于第一λ/4波片4和第二λ/4波片6之间；
步骤四：经过偏振面调制的线偏振激光垂直入射进入碱金属气室7，经过气室后，激光通过和功率稳定器3的偏振方向垂直的检偏器8，并由光电探测器9采集，通过锁相放大器进行放大和解调，得到SERF陀螺仪探测光信号；由锁相放大器产生的参考调制信号经驱动电源放大用以驱动电光调制器5。
本发明与现有技术相比具有的优势在于：
(1)本发明采用小型DBR或DFB激光器，其体积可在1cm3以下。光路装配完成后无可动部件，可采用固定封装的方式实现小型化的光路设计。
(2)现有技术中，使用单片λ/4波片和电光调制器组成调制光路。光路装配时需要精确调整λ/4波片和电光调制器的装配角度。本发明采用正交装配的λ/4波片4和6消除了电光调制器5装配方位角对偏振面调制过程中的影响，简化装配工艺。
(3)工程化样机装配完成后，在对SERF陀螺仪探测光解调信号零值工作点进行调整时，现有技术需要反复打开陀螺系统对λ/4波片角度进行调节，不利于一体化及小型化设计。而本发明通过双波片耦合光路可直接通过改变电光调制器驱动信号中的直流分量既可实现对SERF陀螺仪探测光解调信号的调节，无需对已装配好的光路进行调整，为后续小型化陀螺系统打下基础。
附图说明
图1为本发明SERF陀螺仪探测光调制检测系统示意图；
具体实施方式
调制检测技术是SERF陀螺仪中检测偏振光中加载陀螺信息的常用技术手段。现有技术使用λ/4波片和电光调制器组成调制光路时，λ/4波片和调制器的装配角度需要满足某一特定条件，并且在后续陀螺系统调试时需要对光路中λ/4波片的装配角度反复进行调节，不利于工程化装配和小型化设计。而本发明针对这一问题，提出了使用双波片耦合探测光调制检测方法，消除了调制器装配角度对检测结果的影响，简化了光路系统调试步骤，为SERF陀螺仪中信号调制检测工程化实现打下基础。
如图1所示，本发明提出了一种用于SERF陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统，包括：激光器1、λ/2波片2、功率稳定器3、第一λ/4波片4、电光调制器5、第二λ/4波片6、碱金属气室7、检偏器8以及光电探测器9；
激光器1输出的激光通过λ/2波片2调整激光的偏振面方向，使得激光与功率稳定器3正常工作状态时对输入激光偏振面的要求相匹配；通过功率稳定器3对激光功率进行调节，调节后的激光依次通过第一λ/4波片4、电光调制器5和第二λ/4波片6之后，进入碱金属气室7；电光调制器5用于对激光的偏振面进行调制，第一λ/4波片4和第二λ/4波片6为正交关系，第一λ/4波片4、第二λ/4波片6与激光偏振面的夹角分别为正45°和负45°。激光经过碱金属气室7后，SERF陀螺仪的探测光信号加载在激光上输出，经过检偏器8之后最终通过光电探测器9进行采集；检偏器8用于检测激光的偏振情况，检偏器8的偏振方向和通过功率稳定器3的激光正交。采集后的信号通过锁相放大器进行解调，输出陀螺仪探测光信号，同时，锁相放大器还产生调制信号，控制驱动电源为电光调制器5供电。
本发明中的激光器1为795nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器。激光器1输出的激光为线偏振光。通过功率稳定器3的激光功率设置在30-40mW之间，激光功率稳定度优于0.5％。
通过调节驱动电源输出给电光调制器5信号中直流分量，实现锁相放大器解调后输出的SERF陀螺仪探测光信号的零值工作点的调整。
进一步的，基于上述检测系统，本发明还提出一种检测方法，步骤如下：
步骤一：通过稳定恒流源和温度控制器驱动，作为探测光光源的激光器1输出激光，输出的激光通过λ/2波片2调整线偏振光偏振面方向，使激光满足功率稳定器3正常工作状态时对输入激光偏振面的要求；
步骤二：通过功率稳定器3的激光分别通过与激光偏振面夹角正45°的第一λ/4波片4和负45°的第二λ/4波片6，使入射激光偏振态不发生改变；
步骤三：将电光调制器5放置于第一λ/4波片4和第二λ/4波片6之间；
假设放置电光调制器5的振动轴为y轴，激光传播方向为z轴，在此坐标系下线偏振激光通过光弹调制器的琼斯矩阵可写为：
其中δ(t)＝δ0sin(ωt)，ω为电光调制器调制频率，δ0为调制器峰值延迟量。相应的第一λ/4波片4和第二λ/4波片6的琼斯矩阵可写为：
其中α和β为第一λ/4波片4和第二λ/4波片6与x轴的夹角。当线偏振光以此通过第一λ/4波片4、电光调制器5、第二λ/4波片6后，琼斯矩阵为：
JM＝JQ2·JEOM·JQ1， (4)
当第一λ/4波片4和第二λ/4波片6装配角α和β分别取正45°负45°时可以消除琼斯矩阵JM中的虚数项，得到和电光调制器5方位角无关的琼斯矩阵：
此时，当调制频率一定时，对线偏振光的调制作用和电光调制器5装配方位角无关，只和δ0即电光调制器5驱动信号中直流分量有关。
步骤四：经过偏振面调制的线偏振激光垂直入射进入碱金属气室7，经过气室后，激光通过和功率稳定器3的偏振方向垂直的检偏器8，并由光电探测器9采集，通过锁相放大器进行放大和解调，得到SERF陀螺仪探测光信号；由锁相放大器产生的参考调制信号经驱动电源放大用以驱动电光调制器5。
本发明现已应用于新一代SERF陀螺仪原理样机中，得益于其装配后无活动部件，SERF陀螺仪体积由0.8m3缩减至0.03m3，取得了良好的效果。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种用于SERF陀螺仪双波片耦合探测光调制检测系统，其特征在于包括：激光器(1)、λ/2波片(2)、功率稳定器(3)、第一λ/4波片(4)、电光调制器(5)、第二λ/4波片(6)、碱金属气室(7)、检偏器(8)以及光电探测器(9)；
激光器(1)输出的激光通过λ/2波片(2)调整激光的偏振面方向，使得激光与功率稳定器(3)正常工作状态时对输入激光偏振面的要求相匹配；通过功率稳定器(3)对激光功率进行调节，调节后的激光依次通过第一λ/4波片(4)、电光调制器(5)和第二λ/4波片(6)之后，进入碱金属气室(7)；电光调制器(5)用于对激光的偏振面进行调制，第一λ/4波片(4)和第二λ/4波片(6)为正交关系；激光经过碱金属气室(7)后，SERF陀螺仪的探测光信号加载在激光上输出，经过检偏器(8)之后最终通过光电探测器(9)进行采集；采集后的信号通过锁相放大器进行解调，输出陀螺仪探测光信号，同时，锁相放大器还产生调制信号，控制驱动电源为电光调制器(5)供电；
通过调节驱动电源输出给电光调制器(5)信号中直流分量，实现锁相放大器解调后输出的SERF陀螺仪探测光信号的零值工作点的调整。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述激光器(1)为795nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：所述激光器(1)输出的激光为线偏振光。
4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：通过功率稳定器(3)的激光功率设置在30-40mW之间，激光功率稳定度小于0.5％。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：第一λ/4波片(4)、第二λ/4波片(6)与激光偏振面的夹角分别为正45°和负45°。
6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于：检偏器(8)用于检测激光的偏振情况，检偏器(8)的偏振方向和通过功率稳定器(3)的激光正交。
7.一种根据权利要求1～6中任一项所述检测系统实现的检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：通过稳定恒流源和温度控制器驱动，作为探测光光源的激光器(1)输出激光，输出的激光通过λ/2波片(2)调整线偏振光偏振面方向，使激光满足功率稳定器(3)正常工作状态时对输入激光偏振面的要求；
步骤二：通过功率稳定器(3)的激光分别通过与激光偏振面夹角正45°的第一λ/4波片(4)和负45°的第二λ/4波片(6)，使入射激光偏振态不发生改变；
步骤三：将电光调制器(5)放置于第一λ/4波片(4)和第二λ/4波片(6)之间；
步骤四：经过偏振面调制的线偏振激光垂直入射进入碱金属气室(7)，经过气室后，激光通过和功率稳定器(3)的偏振方向垂直的检偏器(8)，并由光电探测器(9)采集，通过锁相放大器进行放大和解调，得到SERF陀螺仪探测光信号；由锁相放大器产生的参考调制信号经驱动电源放大用以驱动电光调制器(5)；
通过调节驱动电源输出给电光调制器(5)信号中直流分量，实现锁相放大器解调后输出的SERF陀螺仪探测光信号的零值工作点的调整。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述激光器(1)为795nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器，通过功率稳定器(3)的激光功率设置在30-40mW之间，激光功率稳定度小于0.5％。
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