CN110165546B - 一种用于serf原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法 - Google Patents

一种用于serf原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法，通过液晶延迟器(3)根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节光隔离器(2)输出的激光的偏振面，光隔离器(6)防止从偏振分束棱镜(7)反射激光进入TA功率放大器(5)引起损毁；激光经过分束棱镜(7)将大部分光透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；反馈电路，根据光电探测器(8)采集的光强信息，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器(3)偏转激光的偏振面；本发明通过小型化的液晶控制前端种子激光偏振面的偏转，反馈调节TA激光功率放大前的激光功率的大小，保证TA激光功率放大后的激光功率稳定。

Description

一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及 方法
技术领域
本发明一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法，属于激光功率稳定技术领域。
背景技术
SERF陀螺仪是利用电子自旋定轴性测量载体转动信息。其中一个重要技术就是利用激光将碱金属原子自旋极化，保证碱金属原子因电子自旋形成的自旋磁矩处于惯性空间中。激光功率的稳定性对于SERF陀螺仪信号稳定具有至关重要的作用。通常SERF陀螺仪泵浦激光采用770nm的半导体激光器，用于极化金属钾原子自旋，但是770nm的半导体激光器由于只有80mW的功率，不能满足钾原子自旋极化所需激光功率的要求。另一方面，可以通过TA功率放大器将80mW的激光功率放大几十倍到W量级。而TA功率放大器将激光功率放大后，激光功率的稳定性会变差，连1％都难以达到。并且没有满足要求的小型化激光功率稳定器，保证此时的激光功率稳定。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提出一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法，采用小型化设计将SERF陀螺仪放大后的激光功率闭环控制，实现了小型化的激光功率稳定，保证放大后的激光功率保证稳定，保持激光功率的稳定性。
本发明解决的技术方案为：一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置，包括：激光器，第一光隔离器，液晶延迟器，检偏器，TA激光功率放大器，第二光隔离器，偏振分束棱镜，光电探测器，反馈电路；
激光器作为种子光源，输出激光为线偏振光；激光器通过激光控制保证激光器的激光连续输出，输出的激光送至第一光隔离器；
第一光隔离器接收激光器输出的激光，防止从液晶延迟器反射的光进入激光器，干扰激光器输出，将激光送至液晶延迟器；
液晶延迟器根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节第一光隔离器输出的激光的偏振面，然后将激光送至检偏器；
检偏器将激光功率调整后，送至TA激光功率放大器；
TA激光功率放大器将激光功率放大后，送至第二光隔离器；
第二光隔离器接收TA激光功率放大器输出的激光，防止从偏振分束棱镜反射激光进入TA激光功率放大器引起损毁，同时将激光送至偏振分束棱镜；
激光经过分束棱镜将小部分的光反射到光电探测器，剩余大部分光透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；
光电探测器采集分束棱镜反射的光强信息，送至反馈电路；
反馈电路，根据光电探测器采集的光强信息，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器偏转激光的偏振面。
激光功率稳定装置作为SERF陀螺仪的泵浦光源系统，用于输出稳定的大功率激光。
所述泵浦激光器为770nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器。
泵浦激光器通过第一光隔离器激光功率设置在20-30mW之间。
第一光隔离器，包括：旋光材料、起偏器；
第一光隔离器用于阻止(第一光隔离器后面的液晶延迟器，检偏器，TA激光功率放大器发出的)反射光，第一光隔离器具有旋光材料，光源的光经过起偏器后成为线偏振光，在旋光材料作用下旋转45度，经过检偏器输出；反射光经过旋光材料后仍然旋转45度，因而与起偏器正好成90度正交，无法透过起偏器达到光源。
检偏器让同检偏器光轴平行的线偏振光完全透过，让同检偏器光轴垂直的线偏振光完全不透过，让其它方向的线偏振光部分透过。
所述TA激光功率放大器输入光源的波长为770nm。
偏振分束棱镜作为分束器为半透半反偏振分束棱镜。
光电探测器将分束器反射的光转换为电信号，通过反馈电路控制液晶延迟器的输入电压，进而调整进入液晶延迟器的偏振光的偏振面。
一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定方法，步骤如下：
步骤一、激光器作为种子光源，输出激光为线偏振光，设置激光器的激光功率，输出的激光通过第一光隔离器；
步骤二、经过第一光隔离器的激光穿过液晶延迟器，用以调节输出激光的偏振面，通过液晶延迟器的激光再穿过检偏器；
步骤三、通过检偏器的激光调整后经过TA激光功率放大器，将激光功率放大，在其后设置第二光隔离器防止反射激光进入TA激光功率放大器而引起损毁；
步骤四、通过第二光隔离器的激光经过分束棱镜将小部分的光反射到光电探测器采集光强信息，剩余大部分透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；
步骤五、将光电探测器采集的光强信息输入到反馈电路中，通过PID反馈控制调节液晶延迟器偏转激光的偏振面，利用检偏器调节其后的输出光强，最终保证通过第二光隔离器后的激光功率稳定。
本发明与现有技术相比具有的优势在于：
(1)本发明采用了小型化的光路设计，保证激光功率稳定光路体积符合SERF陀螺仪要求。
(2)本发明采用液晶延迟器，可以将经过TA激光功率放大器后1W左右的激光功率闭环控制。
(3)本发明不仅解决了激光功率放大问题，同时解决了激光功率稳定性问题。消除了TA激光功率放大器、光学器件等多个因素引起的激光功率波动。
(4)本发明通过分束棱镜将激光从光路中分出小部分光作为反馈信号的光，对主光路中激光功率没有影响，解决了激光功率稳定而不会衰减问题。
(5)本发明通过反馈方式调节液晶延迟器，不需要其它复杂控制设备，构成简单，效果明显。
附图说明
图1为本发明SERF陀螺仪激光功率稳定光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置及方法，通过液晶延迟器3根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节光隔离器2输出的激光的偏振面，光隔离器6防止从偏振分束棱镜7反射激光进入TA激光功率放大器5引起损毁；激光经过分束棱镜7将大部分光透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；反馈电路，根据光电探测器8采集的光强信息，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器3偏转激光的偏振面；本发明通过小型化的液晶控制前端种子激光偏振面的偏转，反馈调节TA激光功率放大前的激光功率的大小，保证TA激光功率放大后的激光功率稳定。
本发明将用于SERF陀螺仪泵浦激光功率放大稳定系统，保证SERF陀螺仪原子气室获得所需要的大功率激光，同时实现激光器激光功率的稳定输出，解决了半导体激光功率放大后不能稳定输出的问题。SERF陀螺仪具有超高的理论精度，未来在航天、航海等高精度、长航时导航领域将发挥重要作用。
如图1所示，本发明一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置，包括：激光器1，第一光隔离器2，液晶延迟器3，检偏器4，TA激光功率放大器5，第二光隔离器6，偏振分束棱镜7，光电探测器8，反馈电路；
激光器1作为种子光源，输出激光为线偏振光；激光器1通过激光控制保证激光器1的激光连续输出，输出的激光送至第一光隔离器2；
第一光隔离器2接收激光器1输出的激光，防止从液晶延迟器3反射的光进入激光器，干扰激光器输出，将激光送至液晶延迟器3；
液晶延迟器3根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节第一光隔离器2输出的激光的偏振面，然后将激光送至检偏器4；
检偏器4将激光功率调整后，送至TA激光功率放大器5；
TA激光功率放大器5将激光功率放大后，送至第二光隔离器6；
第二光隔离器6接收TA激光功率放大器5输出的激光，防止从偏振分束棱镜7反射激光进入TA激光功率放大器5引起损毁，同时将激光送至偏振分束棱镜7；
激光经过分束棱镜7将小部分的光反射到光电探测器8，剩余大部分光透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；
光电探测器8采集分束棱镜7反射的光强信息，送至反馈电路；
反馈电路，根据光电探测器8采集的光强信息，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器3偏转激光的偏振面。
激光功率稳定装置作为SERF陀螺仪的泵浦光源系统，用于输出稳定的大功率激光。
泵浦激光器1为770nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器，通过第一光隔离器2的激光功率设置在20-30mW之间。
第一光隔离器2用于阻止反射光，具体光源的光经过起偏器后成为线偏振光，在旋光材料作用下旋转45度，经过检偏器输出。反射光经过旋光材料后仍然旋转45度，因而与起偏器正好成90度正交，无法透过起偏器达到光源。
液晶延迟器3可以调节输入激光的偏振面，输入的激光功率在10-100mW之间，液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度为0-90度。
检偏器4让同检偏器光轴平行的线偏振光完全透过，让同检偏器光轴垂直的线偏振光完全不透过，让其它方向的线偏振光部分透过，透光的光强与入射偏振光偏振面和光轴夹角存在余弦关系。
TA激光功率放大器输入光源的波长为770nm，放大后的激光功率优选为0.1-3W。
偏振分束棱镜7作为分束器为半透半反偏振分束棱镜，优选反射光强为入射光强的0.5％，透射光强达到入射光强的90％以上。也可通过半波片和偏振分束棱镜组合调节，达到上述要求。
光电探测器8将分束器反射的光转换为电信号，通过反馈电路控制液晶延迟器3的输入电压，进而调整进入液晶延迟器3的偏振光的偏振面。
以上装置中，SERF陀螺仪泵浦激光优选采用770nm的半导体激光器，其激光功率只有到80mW，不能满足SERF陀螺仪泵浦光强度要求，需要通过TA激光功率放大器将激光功率放大到1W左右。本发明通过小型化的液晶延迟器控制前端种子激光偏振面的偏转，反馈调节TA激光功率放大前的激光功率的大小，保证TA激光功率放大后的激光功率稳定。
以上装置中的激光功率放大器放大后的功率I1与种子光源的激光功率I0的优选关系为：I1＝f*(I0-20)，其中f为放大倍数，20是种子光源最小输入光功率，即放大器需要种子光源激光最小功率为20mW，放大倍数f的设置范围优选为：10<f<300。实现了出光功率的可调范围增加；
以上装置中，采用的液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度θ优选控制范围为0≤θ≤90度。
本发明中优选的种子光源输入功率优选为40mW，设置放大倍数f优选为50倍，放大后激光功率优选为1W，分束棱镜选择0.1％的反射，99.9％的透射，反射的1mW激光用于反馈光路中的光电探测器接收光源，剩余透射的激光用于SERF陀螺仪泵浦光源，进一步提高了激光功率稳定性。
本发明的一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定方法，步骤如下：
步骤(一)、激光器1作为种子光源，输出激光为线偏振光，设置激光器1的激光功率，输出的激光通过第一光隔离器2；
步骤(二)、经过第一光隔离器2的激光穿过液晶延迟器3，用以调节输出激光的偏振面，通过液晶延迟器3的激光再穿过检偏器4；
步骤(三)、通过检偏器4的激光调整后经过TA激光功率放大器5，将激光功率放大，在其后设置第二光隔离器6防止反射激光进入TA激光功率放大器而引起损毁；
步骤(四)、通过第二光隔离器6的激光经过分束棱镜7将小部分的光反射到光电探测器8采集光强信息，剩余大部分透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源。
步骤(五)、将光电探测器8采集的光强信息输入到反馈电路中，通过PID反馈控制调节液晶延迟器3偏转激光的偏振面，利用检偏器4调节其后的输出光强，最终保证通过第二光隔离器6后的激光功率稳定。
上述方法优选的实现步骤如下：
步骤(一)、激光器1作为种子光源，输出激光为线偏振光。激光器1通过激光输出设备保证激光器1的激光功率设置在25mW附近。输出的激光通过第一光隔离器2，防止反射的光干扰激光器输出，导致激光跳模。
步骤(二)、经过第一光隔离器2的激光穿过液晶延迟器3，用以调节输出激光的偏振面。通过液晶延迟器3的激光再穿过检偏器4，所选的检偏器波段包含770nm。
步骤(三)、通过检偏器4的激光调整后经过TA激光功率放大器5，将激光功率放大到1W左右，在其后设置第二光隔离器6防止反射激光进入TA激光功率放大器而引起损毁。
步骤(四)、通过第二光隔离器6的激光经过分束棱镜7将小部分的光反射到光电探测器8采集光强信息，剩余大部分透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源。
步骤(五)、将光电探测器8采集的光强信息输入到反馈电路中，通过PID反馈控制调节液晶延迟器3偏转激光的偏振面，利用检偏器4调节其后的输出光强，最终保证通过第二光隔离器6后的激光功率稳定。
激光器1作为种子光源，输出激光为线偏振光；激光器1通过激光控制保证激光器1的激光连续输出，输出的激光送至第一光隔离器2；
第一光隔离器2接收激光器1输出的激光，防止从液晶延迟器3反射的光进入激光器，干扰激光器输出，将激光送至液晶延迟器3；
液晶延迟器3根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节第一光隔离器2输出的激光的偏振面，然后将激光送至检偏器4；
检偏器4将激光功率调整后，送至TA激光功率放大器5；
TA激光功率放大器5将激光功率放大后，送至第二光隔离器6；
第二光隔离器6接收TA激光功率放大器5输出的激光，防止从偏振分束棱镜7反射激光进入TA激光功率放大器5引起损毁，同时将激光送至偏振分束棱镜7；
激光经过分束棱镜7将小部分的光反射到光电探测器8，剩余大部分光透射光作为SERF陀螺仪的泵浦光源；
光电探测器8采集分束棱镜7反射的光强信息，送至反馈电路；
反馈电路，根据光电探测器8采集的光强信息，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器3偏转激光的偏振面。
激光功率稳定装置作为SERF陀螺仪的泵浦光源系统，用于输出稳定的大功率激光。
泵浦激光器1为770nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器，通过第一光隔离器2的激光功率设置在20-30mW之间。
以上方法中，第一光隔离器2用于阻止反射光，具体光源的光经过起偏器后成为线偏振光，在旋光材料作用下旋转45度，经过检偏器输出。反射光经过旋光材料后仍然旋转45度，因而与起偏器正好成90度正交，无法透过起偏器达到光源。
以上方法中，液晶延迟器3可以调节输入激光的偏振面，输入的激光功率在10-100mW之间，液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度为0-90度。
以上方法中，检偏器4让同检偏器光轴平行的线偏振光完全透过，让同检偏器光轴垂直的线偏振光完全不透过，让其它方向的线偏振光部分透过，透光的光强与入射偏振光偏振面和光轴夹角存在余弦关系。
以上方法中，TA激光功率放大器输入光源的波长优选为770nm，放大后的激光功率优选为0.1-3W，以提高激光功率稳定性。
以上方法中，分束器为半透半反偏振分束棱镜7，反射光强为入射光强的0.5％，透射光强达到入射光强的90％以上。也可通过半波片和偏振分束棱镜组合调节，达到上述要求，以提高激光功率稳定性。
以上方法中，光电探测器8将分束器反射的光转换为电信号，通过反馈电路控制液晶延迟器3的输入电压，进而调整进入液晶延迟器3的偏振光的偏振面。
以上方法中，SERF陀螺仪泵浦激光优选采用770nm的半导体激光器，其激光功率只有到80mW，不能满足SERF陀螺仪泵浦光强度要求，需要通过TA激光功率放大器将激光功率放大到1W左右。本发明通过小型化的液晶延迟器控制前端种子激光偏振面的偏转，反馈调节TA激光功率放大前的激光功率的大小，保证TA激光功率放大后的激光功率稳定。
以上方法中的激光功率放大器放大后的功率I1与种子光源的激光功率I0的优选关系为：I1＝f*(I0-20)，其中f为放大倍数，20是种子光源最小输入光功率，即放大器需要种子光源激光最小功率为20mW，放大倍数f的设置范围优选为：10<f<300。
以上方法中采用的液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度θ优选控制范围为0≤θ≤90度。
本发明中优选的种子光源输入功率优选为40mW，设置放大倍数f优选为50倍，放大后激光功率优选为1W，分束棱镜选择0.1％的反射，99.9％的透射，反射的1mW激光用于反馈光路中的光电探测器接收光源，剩余透射的激光用于SERF陀螺仪泵浦光源，进一步提高了激光功率稳定性。
本发明采用了小型化的光路设计，保证激光功率稳定光路体积符合SERF陀螺仪要求，采用液晶延迟器，可以将经过TA激光功率放大器后1W左右的激光功率闭环控制，本发明不仅解决了激光功率放大问题，同时解决了激光功率稳定性问题。消除了TA激光功率放大器、光学器件等多个因素引起的激光功率波动。
本发明通过分束棱镜将激光从光路中分出小部分光作为反馈信号的光，对主光路中激光功率没有影响，解决了激光功率稳定而不会衰减问题；通过反馈方式调节液晶延迟器，不需要其它复杂控制设备，构成简单，效果明显。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置，其特征在于包括：激光器(1)，第一光隔离器(2)，液晶延迟器(3)，检偏器(4)，TA激光功率放大器(5)，第二光隔离器(6)，偏振分束棱镜(7)，光电探测器(8)，反馈电路；
激光功率稳定装置作为SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光源系统，用于输出稳定的大功率激光；激光器(1)作为种子光源，输出激光为线偏振光；激光器(1)为770nm的半导体DBR激光器或者DFB激光器；激光器(1)通过第一光隔离器(2)激光功率设置在20-30mW之间；激光功率放大器放大后的功率I1与种子光源的激光功率I0的关系为：I1＝f*(I0-20)，其中f为放大倍数，20是种子光源最小输入光功率，即放大器需要种子光源激光最小功率为20mW，放大倍数f的设置范围为：10<f<300；实现了出光功率的可调范围增加；激光器(1)通过激光控制保证激光器(1)的激光连续输出，输出的激光送至第一光隔离器(2)；第一光隔离器(2)用于阻止反射光，第一光隔离器(2)具有旋光材料和起偏器，光源的光经过起偏器后成为线偏振光，在旋光材料作用下旋转45度，经过检偏器输出；反射光经过旋光材料后仍然旋转45度，因而与起偏器正好成90度正交，无法透过起偏器达到光源；
第一光隔离器(2)接收激光器(1)输出的激光，防止从液晶延迟器(3)反射的光进入激光器，干扰激光器输出，将激光送至液晶延迟器(3)；
液晶延迟器(3)根据反馈电路反馈的输出控制信号，用以调节第一光隔离器(2)输出的激光的偏振面，然后将激光送至检偏器(4)；
检偏器(4)让同检偏器光轴平行的线偏振光完全透过，让同检偏器光轴垂直的线偏振光完全不透过，让其它方向的线偏振光部分透过；检偏器(4)将激光功率调整后，送至TA激光功率放大器(5)；
TA激光功率放大器(5)将激光功率放大后，送至第二光隔离器(6)；
第二光隔离器(6)接收TA激光功率放大器(5)输出的激光，防止从偏振分束棱镜(7)反射激光进入TA激光功率放大器(5)引起损毁，同时将激光送至偏振分束棱镜(7)；
激光经过偏振分束棱镜(7)将小部分的光反射到光电探测器(8)，剩余大部分光透射光作为SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光源；
光电探测器(8)采集偏振分束棱镜(7)反射的光强信息，送至反馈电路；
反馈电路，根据光电探测器(8)采集的光强信息，光电探测器(8)将分束器反射的光转换为电信号，通过反馈电路控制液晶延迟器(3)的输入电压，通过PID反馈控制，输出控制信号，调节液晶延迟器(3)偏转激光的偏振面。
2.一种采用权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的小型化激光功率稳定装置的激光功率稳定方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、激光器(1)作为种子光源，输出激光为线偏振光，设置激光器(1)的激光功率，输出的激光通过第一光隔离器(2)；
步骤二、经过第一光隔离器(2)的激光穿过液晶延迟器(3)，用以调节输出激光的偏振面，通过液晶延迟器(3)的激光再穿过检偏器(4)；
步骤三、通过检偏器(4)的激光调整后经过TA激光功率放大器(5)，将激光功率放大，在其后设置第二光隔离器(6)防止反射激光进入TA激光功率放大器而引起损毁；
步骤四、通过第二光隔离器(6)的激光经过偏振分束棱镜(7)将小部分的光反射到光电探测器(8)采集光强信息，剩余大部分透射光作为SERF原子自旋陀螺仪的泵浦光源；
步骤五、将光电探测器(8)采集的光强信息输入到反馈电路中，通过PID反馈控制调节液晶延迟器(3)偏转激光的偏振面，利用检偏器(4)调节其后的输出光强，最终保证通过第二光隔离器(6)后的激光功率稳定。
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