CN110530531A - 基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法 - Google Patents
基于迈克尔逊干涉的喷泉型原子重力仪光束相位变化测量装置与方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于迈克尔逊干涉的原子干涉重力仪反射镜振动造成光束相位变化测量的装置及方法，装置包括：光束相位测量、光束干涉采集、干涉信号处理。反射镜振动是影响喷泉型原子干涉仪性能指标的最重要因素之一，本发明通过实时精密测量的办法同步标定振动引起的相位变化，修正该偏差，抑制振动的影响，显著提高干涉仪性能指标。运用迈克尔逊干涉装置对反射镜振动信息进行提取，实现高精度振动相位变化测量；运用正交采集干涉条纹法，可以消除干涉条纹的非线性；最后经过对干涉信号的处理可以实时测量反射镜振动引起的光束相位抖动，可以减小测量的不确定度。并且，干涉仪所用激光可以与原子干涉重力仪所用激光相同，实现相位探测的完全同步。
Description
技术领域
本发明涉及原子干涉重力仪精密测量领域，具体地，涉及一种基于迈克尔逊干涉的拉曼光束相位探测装置与方法。
背景技术
喷泉型原子干涉仪是目前测量重力加速度g及其梯度最重要最精密的仪器之一，它的基本原理是让上抛的冷原子云与对射的拉曼激光相互作用，利用双光子跃迁实现冷原子云的分束、反射、合束，两束原子干涉实现对g的测量。该方法从原理上对原子与拉曼光场相互作用时的对射光束相位有很严格的要求，对射激光是通过一束激光通过反射镜反射产生的，反射镜的振动是影响干涉仪性能指标的最重要因素之一。反射镜的振动来源于光路平台、空气或者大地的振动，与反射镜的固定方式、系统的隔振性能有很大关系。反射镜振动对原子干涉重力仪的输出影响非常大，是限制装置不确定度的重要因素。
现有技术一方面通过专门的主被动隔震抑制反射镜的振动，另一方面通过配置高精度振动探头或者地震仪等办法监测反射镜的振动，通过振动频谱对测试结果进行修正。这两种方法一方面结构复杂，限制了干涉仪的应用，另一方面还无法实现对反射镜振动的完全抑制，因此即使采取了这些措施，该效应仍然是影响的干涉仪不确定度的最重要因素之一。
以往的振动测量有以下问题：
1、振动探头固定在反射镜防震平台上，对反射镜振动的测量精度与探头位置及平台的固有频率有关，依赖于刚体的振动传递特性，测量往往存在振幅位相误差；
2、测量与激光作用时间窗口不完全相同，不能反映激光作用时间内的振动影响，不能实时测量反射镜的振动位置。所以只能通过振动谱修正，这是一个积分的效果，误差较大，只能修正平均值；
3、测量装置附加于原子干涉重力仪，增加了系统的复杂性。
发明内容
本发明为弥补现有测量技术的不足，提供了一种基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量的装置及方法。该方法具有实时测量相位、不引入附加噪声、测量时间窗口与激光作用时间窗口相同有利于减小重力仪不确定度的优势。通过记录干涉条纹的变化，可以测量反射镜真实的振动情况，进而计算出振动的频率，以及计算出由振动引起的系统光束的相位变化，因此可以更加准确地评估对测量结果不确定度的贡献。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于迈克尔逊干涉的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特点在于，包括第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、拉曼反射镜、第二四分之一波片、参考反射镜、分光棱镜、第二二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器和所述的信号处理系统；
原子干涉重力仪激光系统的输出光经所述的第一二分之一波片入射到所述的第一偏振分光棱镜，经过该第一偏振分光棱镜分为第一反射光与第一透射光，所述的第一反射光经所述的第二四分之一波片入射到所述的参考反射镜，并经该参考反射镜反射沿原路返回，经所述的第二四分之一波片再次入射到所述的第一偏振分光棱镜，经该第一偏振分光棱镜透射，形成第二透射光；所述的第一透射光经所述的第一四分之一波片入射到所述的拉曼反射镜，并经该拉曼反射镜反射沿原路返回，经所述的第一四分之一波片再次入射到所述的第一偏振分光棱镜，经该经该第一偏振分光棱镜反射，形成第二反射光；
所述的第二透射光和第二反射光合束后经所述的分光棱镜分为第三透射光和第三反射光，所述的第三透射光经所述的第二二分之一波片入射到所述的第二偏振分光棱镜，经该第二偏振分光棱镜分为第四透射光与第四反射光束；所述的第三反射光依次经所述的第三四分之一波片和第三二分之一波片入射到所述的第三偏振分光棱镜，经该第三偏振分光棱镜分为第五透射光与第五反射光；
所述的第一光电探测器探测第二偏振分光棱镜第四透射光强度，第二光电探测器探测第二偏振分光棱镜的第四反射光强度，第三光电探测器探测第三偏振分光棱镜的第五透射光强度，第四光电探测器探测第三偏振分光棱镜的第五透射光强度，所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器分别与所述的信号处理系统相连。
所述的第一四分之一波片、第二四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为45°或者135°，所述的第三四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为0°，所述的第二二分之一波片、第三二分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为22.5°。
所述的四分之一波片、二分之一波片为晶体材料型波片，多元复合型波片，反射棱体型波片或双折射薄膜型波片。
所述的偏振分光棱镜为胶合型偏振分光棱镜或者光胶型偏振分光棱镜。
所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。
所述的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜的两个偏振轴与水平方向的夹角均为0°和90°。
所述信号处理系统为包括信号采集电路或装置、信号放大电路和带有数据处理和分析软件的微型计算机在内的数据处理系统。
利用所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置测量拉曼光束相位变化的方法，包括下列步骤：
①调整参考反射镜至第一偏振分光棱镜的距离使之满足参考反射镜至第一偏振分光棱镜的距离与拉曼反射镜至第一偏振分光棱镜的距离差为重力仪所用工作原子谱线对应波长的倍。
②开启脉冲型拉曼原子干涉重力仪，使之正常工作，所述的第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器分别探测所述的第二偏振分光棱镜的透射光束、第二偏振分光棱镜的反射光束、第三偏振分光棱镜的透射光束、第三偏振分光棱镜的反射光束得到包含光束相位变化信息的干涉光强信息I11、I12、I16、I17，并将该光强信号转化为相应的电信号输入所述的信号处理系统。
③当装置搭建满足权利要求2和4时，所述的信号处理系统进行下列计算：
其中，K11为第一光电探测器所在电路的电路系数，K12为第二光电探测器所在电路的电路系数在利用，K16为第三光电探测器所在电路的电路系数，K17为第四光电探测器所在电路的电路系数，A1为U1曲线幅度，A2为U2曲线幅度，为待测的光束相位。
④根据us、uc的符号可以判断所在的象限，判断方法如下：
若us＞0、uc＞0则位于第四象限；
若us＞0、uc＜0则位于第三象限；
若us＜0、uc＞0则位于第一象限；
若us＜0、uc＜0则位于第二象限。
然后再进行的具体值计算，可以采用下列计算方法：
或者
连续测量拉曼作用时间段内的值就可以测量出拉曼光束的相位变化曲线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量装置和方法，拉曼光束相位变化测量所用光源与原子重力干涉仪所用光源完全相同，所测相位变化完全等价于拉曼光场相位变化。
2、本发明提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量方法，直接测量反射镜振动引起的拉曼光束变化情况，不依赖于刚体的振动传递，测量不存在系统误差，同时可以提取振动的参数值。
3、本发明提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量方法，光束相位变化测量时间窗口与拉曼光场与原子作用时间窗口完全一致，能够更好地评估拉曼光束作用时间内光束相位变化造成的系统测量不确定度。
4、本发明提供的基于迈克尔逊干涉的原子重力干涉仪中拉曼光束相位变化测量方法，采用光场干涉的测量方法，结合数据处理方法，测量精度高，精度可达mrad量级。
附图说明
通过阅读参照以下附图可以对实施例所做的详细描述，本发明的特征、系统工作原理将会变得更加明显：
图1为基于迈克尔逊干涉的原子干涉重力仪拉曼光束相位变化测量装置结构框图。
图2为判断相位变化方向的程序框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在以本发明测量装置与技术的基础上进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例
请先参阅图1，图1是本发明基于迈克尔逊干涉的原子干涉重力仪拉曼光束相位变化测量装置结构框图。由图1可见，本发明原子干涉重力仪拉曼光束相位变化测量装置第一二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3、第一四分之一波片4、拉曼反射镜5、第二四分之一波片6、参考反射镜7、分光棱镜8、第二二分之一波片9、第二偏振分光棱镜10、第三四分之一波片13、第三二分之一波片14、第三偏振分光棱镜15、第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器16、第四光电探测器17、信号处理系统18组成，其位置关系为：在光纤1输出的光束前进方向上，依次是第一二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3，入射光经过第一偏振分光棱镜3后形成反射光束与透射光束，在所述的透射光束的前进方向上，依次是第一四分之一波片4、拉曼反射镜5，在所述反射光束的前进方向上，依次是第二四分之一波片6、参考反射镜7，所述的透射光束与反射光束经反射镜反射返回第一偏振分光棱镜3，透射光束与反射光束从第一偏振分光棱镜3出射光束为所述反射光束前进方向的反方向，在所述第一偏振分光棱镜3出射光束的前进方向上，放置分光棱镜8，光束经分光棱镜8分为分光棱镜8的透射光束与分光棱镜8的反射光束，在所述分光棱镜8的透射光束的前进方向上依次放置第二二分之一波片9、第二偏振分光棱镜10，分光棱镜8的透射光束经第二偏振分光棱镜10分为第二偏振分光棱镜10的透射光束与第二偏振分光棱镜10的反射光束，在所述分光棱镜8的反射光束的前进方向上依次放置第三四分之一波片13、第三二分之一波片14、第三偏振分光棱镜15，分光棱镜8的透射光束经第三偏振分光棱镜15分为第三偏振分光棱镜15的透射光束与第三偏振分光棱镜15的反射光束，用第一光电探测器11探测第二偏振分光棱镜10的透射光束强度、第二光电探测器12探测第二偏振分光棱镜10的反射光束强度、第三光电探测器16探测第三偏振分光棱镜15的透射光束强度、第四光电探测器17探测第三偏振分光棱镜15的透射光束强度，将第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器16、第四光电探测器17的传输至信号处理系统18。
所述的第一四分之一波片、第二四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为45°或者135°，所述的第三四分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为0°，所述的第二二分之一波片、第三二分之一波片的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为22.5°。
所述的四分之一波片、二分之一波片为晶体材料型波片，多元复合型波片，反射棱体型波片或双折射薄膜型波片。
所述的偏振分光棱镜为胶合型偏振分光棱镜或者光胶型偏振分光棱镜。
所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。
所述的第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜的两个偏振轴与水平方向的夹角均为0°和90°。
所述信号处理系统为包括信号采集电路或装置、信号放大电路和带有数据处理和分析软件的微型计算机在内的数据处理系统。
光纤1产生的纯线偏光经过第一二分之一波片2，分解为s方向、p方向两种偏振方向的线偏振光。这两束偏振光经第一偏振分光棱镜3后发生分束。p分量光束被第一偏振分光棱镜3透射，往返经过第一四分之一波片4和拉曼反射镜5，被拉曼反射镜5反射的光束相位中携带了反射镜的振动信息，s分量的光束被第一偏振分光棱镜2反射，往返经过第二四分之一波片6和参考反射镜7。两束激光返回经过第一偏振分光棱镜3后合束，而且出射传播方向与入射时相比偏转90°。第一偏振分光棱镜3出射光束经过分光棱镜8，分光棱镜8的透射光束再经过第二二分之一波片9、第二偏振分光棱镜10，第一光电探测器11探测第二偏振分光棱镜10的透射光强，第二光电探测器12探测第二偏振分光棱镜10的反射光强，分光棱镜8的反射光束经过第三四分之一波片13、第三二分之一波片14、第三偏振分光棱镜15，第三光电探测器16探测第二偏振分光棱镜14的透射光强，第四光电探测器17探测第二偏振分光棱镜14的反射光强。
光纤入射光束的光场电矢量可以表示为：
其中，E1为ω1频率光的振幅，E2为ω2频率光的振幅。
光束经过第一二分之一波片后，两个偏振方向上的光束的电矢量可以表示为：
经过第一偏振分光棱镜3分光，并且通过拉曼反射镜与参考反射镜的反射，在第一偏振分光棱镜3重新合束后的两个偏振方向的光场可以表示为：
光束再经过分光棱镜的分光和每个光电探测器所在光路中的其他光学元件后，最后到达每个光电探测器的光场可以表示为：
最后每个光电探测器的输出电信号可以表示为：
其中，并且由于在原子干涉重力仪中ω1-ω2＜＜ω1，故可以做假设：而且K1、K2、K3、K4与电路结构有关，可以通过调整采样电压控制大小或者标定后进行归一化处理，可以假设K1＝K1＝K1＝K1＝K。在以上假设的基础上，做下列计算：
在得到和信息的基础上，可以通过下列判断与计算得到实时的光束相位量：
若us＞0、uc＞0则位于第四象限；
若us＞0、uc＜0则位于第三象限；
若us＜0、uc＞0则位于第一象限；
若us＜0、uc＜0则位于第二象限。
的绝对值计算，可以采用下列计算方法：
(1)：(2)(3)
将的绝对值和的象限信息结合起来就可以得到实时的光束相位信息。在原子干涉重力仪的拉曼光束作用时间内连续测量光束的相位信息就可以得到光束相位的变化情况。
Claims (9)
1.一种基于迈克尔逊干涉的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于，包括第一二分之一波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、第一四分之一波片(4)、拉曼反射镜(5)、第二四分之一波片(6)、参考反射镜(7)、分光棱镜(8)、第二二分之一波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)、第四光电探测器(17)和所述的信号处理系统(18)；
原子干涉重力仪激光系统的输出光(1)经所述的第一二分之一波片(2)入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经过该第一偏振分光棱镜(3)分为第一反射光与第一透射光，所述的第一反射光经所述的第二四分之一波片(6)入射到所述的参考反射镜(7)，并经该参考反射镜(7)反射沿原路返回，经所述的第二四分之一波片(6)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该第一偏振分光棱镜(3)透射，形成第二透射光；所述的第一透射光经所述的第一四分之一波片(4)入射到所述的拉曼反射镜(5)，并经该拉曼反射镜(5)反射沿原路返回，经所述的第一四分之一波片(4)再次入射到所述的第一偏振分光棱镜(3)，经该经该第一偏振分光棱镜(3)反射，形成第二反射光；
所述的第二透射光和第二反射光合束后经所述的分光棱镜(8)分为第三透射光和第三反射光，所述的第三透射光经所述的第二二分之一波片(9)入射到所述的第二偏振分光棱镜(10)，经该第二偏振分光棱镜(10)分为第四透射光与第四反射光束；所述的第三反射光依次经所述的第三四分之一波片(13)和第三二分之一波片(14)入射到所述的第三偏振分光棱镜(15)，经该第三偏振分光棱镜(15)分为第五透射光与第五反射光；
所述的第一光电探测器(11)探测第二偏振分光棱镜(10)第四透射光强度，第二光电探测器(12)探测第二偏振分光棱镜(10)的第四反射光强度，第三光电探测器(16)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，第四光电探测器(17)探测第三偏振分光棱镜(15)的第五透射光强度，所述的第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)和第四光电探测器(17)分别与所述的信号处理系统(18)相连。
2.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于，所述的第一四分之一波片(4)、第二四分之一波片(6)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为45°或者135°，第三四分之一波片(13)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为0°或者90°，第一二分之一波片(9)、第二二分之一波片(14)的快轴方向与所通过的光束的偏振方向的夹角为22.5°。
3.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)和第四光电探测器(17)为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。
4.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于所述的四分之一波片、二分之一波片为晶体材料型波片，多元复合型波片，反射棱体型波片或双折射薄膜型波片。
5.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于所述的偏振分光棱镜为胶合型偏振分光棱镜或者光胶型偏振分光棱镜。
6.根据权利要求1或2所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于所述的第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(10)、第三偏振分光棱镜(15)的两个偏振轴与水平方向的夹角均为0°和90°。
7.根据权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置，其特征在于所述信号处理系统(18)为包括信号采集电路或装置、信号放大电路和带有数据处理和分析软件的微型计算机在内的数据处理系统。
8.利用权利要求1所述的原子重力仪拉曼光束相位变化测量装置测量拉曼光束相位变化的方法，其特征在于下列步骤：
①调整参考反射镜(7)至第一偏振分光棱镜(3)的距离使之满足参考反射镜(7)至第一偏振分光棱镜(3)的距离与拉曼反射镜(5)至第一偏振分光棱镜(3)的距离差为原子干涉重力仪所用工作原子谱线对应波长的倍；
②开启原子干涉重力仪，第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(16)、第四光电探测器(17)分别探测所述的第二偏振分光棱镜(10)的透射光束、第二偏振分光棱镜(10)的反射光束、第三偏振分光棱镜(15)的透射光束、第三偏振分光棱镜(15)的反射光束得到包含光束相位变化信息的干涉光强信息I11、I12、I16、I17，并将该光强信号转化为相应的电信号输入所述的信号处理系统；
③信号处理系统进行下列计算：
其中，K11为第一光电探测器(11)所在电路的电路系数，K12为第二光电探测器(12)所在电路的电路系数在利用，K16为第三光电探测器(16)所在电路的电路系数，K17为第四光电探测器(17)所在电路的电路系数，A1为U1曲线幅度，A2为U2曲线幅度，为待测的光束相位；
④判断所在的象限：
若u1＞0、u2＞0则位于第四象限；
若u1＞0、u2＜0则位于第三象限；
若u1＜0、u2＞0则位于第一象限；
若u1＜0、u2＜0则位于第二象限；
⑤计算待测的光束相位公式如下：
或
或
9.根据权利要求8所述的测量拉曼光束相位变化的方法，其特征在于还包括步骤⑥连续测量拉曼作用时间段内的值，即得到拉曼光束的相位变化曲线。
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2019
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