CN110849394A - 一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法，属于惯性测量传感器技术领域，包括：S1、光波输入的初始状态，测量光波偏振态为邦加球上的Pi点，测量光波偏振态为邦加球上的Po点；S2、通过测量得到的斯托克斯参量来计算两点在邦加球面大圆截面上的弧长
大圆截面为通过球心的主截面，将所述弧长
定义为“偏振位移”，“偏振位移”越大，则偏振态变化越大，偏振态稳定性越差；反之偏振态变化越小，偏振态稳定性越好。采用该方法后，核磁共振陀螺仪光路偏振态的稳定性测试得以真正实现测试结果的可量化、可比较，解决了以往进行偏振态稳定性测试只能进行估测的问题，为整个项目推进提供有力保障。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量传感器技术领域，具体涉及一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法。
背景技术
核磁共振陀螺仪利用原子核相对于外磁场的进动性，通过检测原子自旋进动频率变化实现高灵敏度角速度测量。1952年，通用电气公司的Leete和Hansen首先提出了核磁共振陀螺的设想。Singer-Kearfott公司和Litton公司从20世纪60年代开始了核磁共振陀螺仪相关研究工作，并于1979年分别研制出核磁共振陀螺的原理样机。
目前，在核磁共振陀螺仪技术发展最快的是美国Northrop Grumman公司，通过四代陀螺仪的研制历程，其研制的核磁共振陀螺仪工程样机在典型环境中使用验证其稳定性已达到0.02°/h，成为目前世界上达到导航级精度中体积最小的陀螺，标志着高精度、小体积陀螺技术领域取得了突破性研究进展。
核磁共振陀螺仪工作原理为：利用激光极化碱金属原子，碱金属原子与稀有气体原子之间的碰撞，可以实现对稀有气体原子核自旋的极化，核磁共振陀螺仪利用稀有气体原子核的横向极化分量在外磁场中进动频率的频移来感知外部的转动情况，实现载体角速度的测量。
本项目首先是搭建实验室核磁共振陀螺仪原理验证系统，验证核磁共振陀螺原理，系统组成部分如图1所示。核磁共振信号的探测过程分为三个步骤：第一步：在B0轴施加一稳定的静磁场(背景磁场)以及一束圆偏振的泵浦光，气室中碱金属原子在磁场及泵浦光的作用下极化，然后再通过与工作物质自由碰撞，将极化传递给工作物质，使大量的工作物质原子产生一宏观磁矩M。第二步：在横向施加一射频场，射频场的频ω率为原子核的拉莫尔进动频率。这时原子核的磁矩M偏离B0轴，并绕着B0轴进动。第三步:在垂直于泵浦光方向施加一束线偏振的探测光，探测光偏振面在进动的磁矩作用下产生同频率的偏转，利用偏振分束器件将该偏转转化为功率变化，在另一端探测接收，测量出原子进动频率变化。如载体不动，测量到的进动频率为ω＝γB0；当载体以ωr转动时，测量到的进动频率为ω＝γB0-ωr。
在核磁共振陀螺仪技术研究过程中，需要对圆偏振的泵浦光和线偏振的探测光进行功率、波长及偏振态的稳定性测试，其中功率、波长指标的测试技术成熟，指标变化量直接可读；而光偏振态虽然可以利用偏振分析仪进行测量，但偏振态及其变化量没有具体量化方法，不可直接读取，只能进行估测。而对于核磁共振陀螺仪来说，泵浦光和探测光的偏振态稳定性会对泵浦效率和探测信号误差产生影响，随着研究工作的不断深入，有必要对偏振态稳定性测量进行量化，获取直接可读、可比较的测量结果，需要一种能对光偏振态变化定量评价的方法。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法，使光偏振态稳定性测试可获得直接可读的、可比较的量化测量结果。
本发明的目的是提供一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法，包括如下步骤：
S1、光波输入的初始状态，测量光波偏振态为邦加球上的Pi点，经过10分钟测试时间(测试时间可根据不同要求来确定)后，测量光波偏振态为邦加球上的Po点；
S2、通过测量得到的斯托克斯参量来计算两点在邦加球面大圆截面上的弧长
所述大圆截面为通过球心的主截面，将所述弧长
定义为“偏振位移”，“偏振位移”越大，则偏振态变化越大，偏振态稳定性越差；反之偏振态变化越小，偏振态稳定性越好。
进一步：所述斯托克斯参量为归一化斯托克斯参量。
本发明具有的优点和积极效果是：
⑴通过采用上述技术方案，本发明利用光偏振态的邦加球(Poincare Sphere)和斯托克斯参量(Stocks Parameters)描述方法，邦加球球面坐标与斯托克斯参量相对应的特点，将光偏振态变化计算转化为球面上不同点在球面上距离的计算；
⑵提出“偏振位移”概念，定义光偏振态在邦加球面上一段时间内变化时对应不同点之间在邦加球面大圆截面上的弧长为“偏振位移”，以此定量评价偏振态变化；
⑶“偏振位移”的计算在归一化的邦加球面上进行，与功率或损耗无关。
本发明所设计的光偏振态变化定量评价方法，原理清晰，计算简便，可实现性和可操作性好；本发明所设计的光偏振态变化定量评价方法，解决了光偏振态变化的测试只能估测，不能量化比较的问题；本发明所设计的光偏振态变化定量评价方法，与输入光功率变化无关。
附图说明
图1是核磁共振陀螺仪组成框图；
图2是本发明优选实施例中利用邦加球和斯托克斯参量计算“偏振位移”的示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
图1是基于自旋碰撞极化的核磁共振陀螺仪组成图，核磁共振陀螺仪的组成为：原子气室1、无磁加热机构2、磁场控制线圈4、磁屏蔽桶3、光路部分(泵浦光路、探测光路前端和后端)、频率控制板等。核磁共振陀螺仪的泵浦光路光束和探测光路光束正交通过原子气室。
下面结合附图2，通过具体实施，对本发明用于光偏振态变化定量评价作进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明光偏振态变化定量评价方法的保护范围。
图2为发明1提出的光偏振态变化定量评价方法示意图，假设任意线偏振光(位于邦加球赤道Pi点位置)变化为右旋圆偏振光(位于邦加球北极点Po点位置)，可计算得到“偏振位移”
为归一化邦加球的四分之一大圆截面圆弧弧长，即π/2；任意两个正交的偏振态(例如左旋和右旋圆偏振光)的“偏振位移”为归一化邦加球的二分之一大圆截面圆弧，即π。在归一化的邦加球面上，已知任意两点(两个不同的光偏振态)坐标(归一化斯托克斯参量)，即可计算出两点间的“偏振位移”，且其数值等于两点与球心连线的夹角(弧度)。
本发明的实现过程为：
本发明主要基于光偏振态的邦加球(Poincare Sphere)和斯托克斯参量(StocksParameters)描述。邦加球球面上各点与光的全偏振态一一对应，斯托克斯参量S0，S1，S2，S3分别对应邦加球半径(功率)和球面上任意一点的直角坐标。可以把邦加球当作包含了所有可能偏振态的“偏振空间”，而此偏振空间中每一个元素(偏振态)均对应一个三维直角坐标系内球面上的坐标点，其坐标值与斯托克斯参量值相对应。
利用偏振态分析仪，通过测量、比较光波输入的初始状态和经过一段时间后的斯托克斯参量，利用邦加球球面坐标与斯托克斯参量相对应的特点来计算不同偏振态在邦加球球面上的距离，由此定量描述在邦加球面上的位置变化，即偏振态变化量，藉此量化光偏振态稳定性测试。
考虑到光功率变化的情况，可以使用归一化斯托克斯参量，即用1，S1/S0，S2/S0，S3/S0来取代S0，S1，S2，S3，此时归一化斯托克斯参量与功率或损耗无关，偏振态变化量的计算也在一个归一化的邦加球面上进行，同样与功率或损耗无关。
光波输入的初始状态测量其偏振态为邦加球上的Pi点，经过一段测试时间后测量其偏振态为邦加球上的Po点，由于斯托克斯参量与邦加球面上各点的直角坐标相对应，通过测量得到的斯托克斯参量来计算两点在邦加球面大圆截面(通过球心的主截面)上的弧长
可将该弧长定义为“偏振位移”，“偏振位移”越大，表明偏振态变化越大，偏振态稳定性越差。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、光波输入的初始状态，测量光波偏振态为邦加球上的Pi点，经过10分钟测试时间后，测量光波偏振态为邦加球上的Po点；
S2、通过测量得到的斯托克斯参量来计算两点在邦加球面大圆截面上的弧长所述大圆截面为通过球心的主截面，将所述弧长
定义为“偏振位移”，“偏振位移”越大，则偏振态变化越大，偏振态稳定性越差；反之偏振态变化越小，偏振态稳定性越好。
2.根据权利要求1所述的用于核磁共振陀螺仪的光偏振态变化定量评价方法，其特征在于，所述斯托克斯参量为归一化斯托克斯参量。
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