CN111854724A - 原子自旋进动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电检测、原子操控及检测技术领域，具体涉及一种原子自旋进动检测装置及方法，旨在解决现有中无法克服模拟电路固有的漂移、近似处理的问题；其中检测装置包括调制偏光光源模块、原子气室模块、差分检测模块和数字调制检测模块，调制偏光光源模块基于数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取偏振方向相互垂直的线偏振光；数字调制检测模块基于差分检测模块中的第一探测器、第二探测器分别检测通过偏振分束棱镜后形成的两个光束的偏转角度信息，以获取线偏振光通过原子气室模块后4倍的光旋角实现原子自旋进动的高精度检测。通过本发明能够克服模拟电路固有的漂移、近似处理等问题。
Description
技术领域
本发明属于光电检测、原子操控及检测技术领域，具体涉及一种原子自旋进动检测装置及方法。
背景技术
原子自旋进动检测技术是SERF(Spin-Exchange Relaxation Free)原子磁强计和SERF(Spin-Exchange Relaxation Free)原子自旋陀螺的关键技术。一般情况下，原子自旋进动检测通过检测线偏振光偏振面的旋转来实现，偏振面旋转的角度定义为光旋角。常用的检测方法包括差分偏振法和调制法，其中调制法根据调制原理的不同又分为：法拉第调制、光弹调制、电光调制、声光调制；差分偏振法通过偏振分束棱镜将线偏振光分成两束，分别由两个探测器进行探测，然后进行差分运算实现光旋角的检测，具有结构简单、不受光强波动、共模噪声影响的优势，但是容易受到1/f低频噪声的影响；调制法通过调制器实现对微弱光旋角的调制，然后通过锁相放大器进行信号的提取实现光旋角的检测，可以隔离1/f低频噪声，提高检测的灵敏度，但是会受到光强波动、光路共模噪声的影响，同时存在近似处理、模拟电路固有的漂移的问题。为了降低噪声、提高检测性能，研究者提出了很多改进方案，例如通过原子气室中多次反射增加光程来提高检测灵敏度的检测方案、通过闭环法拉第调制来降低调制器热噪声制的检测方案、在光弹调制检测中增加参考光路来消除共模噪声的检测方案等。以上方案虽然可以在一定程度上提高检测灵敏度，但是依然无法克服模拟电路固有的漂移、近似处理等问题。因此，亟需一种数字高精度的原子自旋进动检测方法。
发明内容
为了解决上述问题，即为了解决现有技术中原子自旋进动检测无法克服模拟电路固有的漂移、近似处理的问题，本发明提供了一种数字高精度原子自旋进动检测装置及方法。
本发明的第一方面提供了一种原子自旋进动检测装置，包括调制偏光光源模块、原子气室模块、差分检测模块和数字调制检测模块，所述调制偏光光源模块、所述差分检测模块均可与所述数字调制检测模块通信连接；
所述调制偏光光源模块基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，所述设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；
所述差分检测模块用于检测所述线偏振光通过所述原子气室模块后偏振面的偏转角度；所述差分检测模块包括偏振分束棱镜、第一探测器和第二探测器，所述第一探测器、所述第二探测器分别用于检测通过所述偏振分束棱镜形成的两个光束的偏转角度；
所述数字调制检测模块基于所述第一探测器、所述第二探测器检测的偏转角度信息，通过数字化及差分运算获取4倍光旋角以实现原子自旋进动的高精度检测。
在一些优选实施例中，所述调制偏光光源模块包括依次设置的光源、准直透镜、起偏器、光学相位调制器和第一1/4波片，所述光学相位调制器的主轴与所述起偏器的光轴的夹角为45度；所述1/4波片的主轴与所述起偏器的光轴夹角为0度。
在一些优选实施例中，所述光源的尾纤连接设置于所述准直透镜的焦点。
在一些优选实施例中，所述光学相位调制器为铌酸锂电光调制器。
在一些优选实施例中，所述设定幅度方波为±π/2相位调制方波。
在一些优选实施例中，所述线偏振光为在所述±π/2相位调制方波的正负半周期内偏振方向与x轴呈±45度夹角的线偏振光。
本发明的第二方面提供了一种原子自旋进动检测方法，该方法基于上面任一项所述的原子自旋进动检测装置，包括以下步骤：
步骤S100，所述调制偏光光源模块基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，所述设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；
步骤S200，所述线偏振光经过所述原子气室模块发生偏转；发生偏转的所述线偏振光经过所述偏振分束棱镜形成两个光束；所述第一探测器、所述第二探测器分别用于检测两个光束的偏转角度；其中，两个光束的偏振态相互垂直；
步骤S300，所述数字调制检测模块基于所述第一探测器、所述第二探测器检测的两个偏转角度进行数字化及差分运算获取4倍光旋角以进行原子自旋进动的高精度检测。
在一些优选实施例中，步骤S100中“获取设定偏振方向的线偏光”的获取方法为：
通过所述调制偏光光源模块中的起偏器调整光源发出光束的偏振方向与x轴一致；
所述调制偏光光源模块中的光学相位调制器基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行偏振光相位的±π/2相位调制，以形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述左旋圆偏振光、所述右旋圆偏振光经过所述调制偏光光源模块中的第一1/4波片依次形成偏振方向相互垂直的线偏光。
在一些优选实施例中，该检测方法中4倍光旋角的获取方法如下：
当调制相位
为π/2时，所述数字调制检测模块通过差分运算得到
当调制相位
为-π/2时，通过差分运算得到
则ΔA＝A2-A1＝2 sin 2θ＝4θ，其中θ为线偏振光经过原子气室的偏振面旋转角度。
在一些优选实施例中，
其中，I1为第一探测器的光强；
Eout1为第一探测器的光矢量；
Eout2为第二探测器的光矢量；
本发明的有益效果：
1)本发明中的数字调制检测模块，集成了信号调制、差分运算、信号解调等功能，采用±π/2方波调制，通过差分检测模块中的第一探测器和第二探测器获得两路互补的数字信号，经过数字调制检测模块中的数字调制检测电路，输出准确的光旋角信息，不存在原理性近似处理的问题；用数字调制检测电路取代了锁相放大等模拟电路，消除了模拟电路固有的漂移等问题。
2)本发明中的光路结构简单、检测灵敏度高，通过调制偏光光源模块中的光学相位调制器进行相位调制，然后通过数字调制检测模块进行差分运算、信号解调提取光旋角信息，输出4倍的光旋角，提高了检测灵敏度，相对于传统检测方案该发明可以兼顾差分偏振法和调制法的优势，同时不存在原理性近似处理的问题；即通过采用数字信号处理技术，消除了模拟电路固有的漂移等问题。
3)本发明中的调制偏光光源模块、差分探测模块的集成器件设计使检测装置在结构上更加紧凑，同时便于安装、操作。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明中的原子自旋进动检测装置的一种具体实施例的结构示意图；
图2是本发明中的原子自旋进动检测装置应用于原子自旋陀螺仪实验装置中的结构示意图；
图3是本发明中的原子自旋进动检测方法在一种具体实施例中的±π/2相位调制方波及对应偏振态变化示意图。
附图标记说明：100、调制偏光光源模块，110、光源，120、准直透镜，130、起偏器，140、光学相位调制器，150、第一1/4波片；200、差分检测模块；210、偏振分束棱镜，220、第一探测器，230、第二探测器；300、数字调制检测模块；400、原子气室模块，410、泵浦激光器，420、法拉第隔离器，430、1/2波片，440、噪声衰减器，450、第二1/4波片，460、三维亥姆霍兹线圈，470、加热炉，480、磁屏蔽桶。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在SERF原子磁强计和SERF原子自旋陀螺中光旋角一般在10-6rad-10-8rad，因此本发明主要应用于小角度光旋角的检测，下面参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。
参照附图1，图示是本发明中的原子自旋进动检测装置的一种具体实施例的结构示意图，该检测装置包括调制偏光光源模块100、原子气室模块400、差分检测模块200和数字调制检测模块300，其中，调制偏光光源模块100、差分检测模块200均可与数字调制检测模块300通信连接；调制偏光光源模块100基于数字调制检测模块300施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；原子气室模块400利用调制偏光光源模块100中的线偏振光经过其后，发生偏振面的旋转，进而实现对原子气室模块中的原子自旋进动的高精度检测；差分检测模块200包括偏振分束棱镜210、第一探测器220和第二探测器230，第一探测器220、第二探测器230分别用于检测通过偏振分束棱镜210形成的两个光束的偏转角度，即线偏振光经过偏振分束棱镜后分成两个偏振态相互垂直的线偏振光，因此偏振分束棱镜可以当作两个偏振方向垂直的偏振器，再通过第一探测器220、第二探测器230分别检测对应的偏转角度，两个探测器把光信号转换成电压信号传输至数字调制检测模块300；数字调制检测模块300基于第一探测器220、第二探测器230检测的偏转角度信息，通过数字化及差分运算获取4倍的光旋角以实现原子自旋进动的高精度检测；即调制偏光光源模块100中的光源发出的激光经过起偏器以及施加的设定幅度的方波变成线偏振光，再经过原子气室模块400进入差分检测模块，使线偏振光的偏振面的旋转转化为光强的变化，通过数字调制检测模块的差分运算以及数字化计算实现对原子自旋进动的高精度检测。
进一步地，调制偏光光源模块100包括依次设置的光源110、准直透镜120、起偏器130、光学相位调制器140和1/4波片150，其中，光学相位调制器140的主轴与起偏器130的光轴的夹角为45度；第一1/4波片150的主轴与起偏器130的光轴夹角为0度；光源中发出的光路经过准直透镜、起偏器、光学相位调制器、1/4波片对应调整后，进入原子气室模块。
优选地，光源的尾纤连接设置于准直透镜的焦点处，可实现检测光束的准直。
优选地，光学相位调制器为Thorlabs的铌酸锂电光调制器，型号为EO-PM-NR-C2。
进一步地，设定幅度方波为±π/2相位调制方波；线偏振光为在±π/2相位调制方波的正负半周期内经过第一1/4波片的与x轴呈±45度夹角的线偏振光；起偏器光轴沿x轴，被调制的线偏振光在正负半周期内与x轴成呈±45度夹角。
进一步地，参照附图2，图示是本发明中的原子自旋进动检测装置应用于原子自旋陀螺仪实验装置中的结构示意图；将图1所示的原子自旋进动检测装置安装于原子陀螺样机中，实现具体的光旋角的检测。
优选地，原子气室模块400为一个直径为8mm的碱金属气室，其内加有少量87Rb、20torr的129Xe和700torr的N2淬灭气体；其外侧依次设置有加热炉470、三维亥姆霍兹线圈460、磁屏蔽桶480；加热炉470通过100kHz交流电流把气室加热到160℃，使87Rb蒸汽原子充满整个碱金属气室，采用三维亥姆霍兹线圈460实现磁场补偿，磁屏蔽桶480用来屏蔽地球磁场和环境干扰磁场。沿着泵浦方向(z轴)各器件依次为泵浦激光器410、法拉第隔离器420、1/2波片430、噪声衰减器440、第二1/4波片450；采用法拉第隔离器420隔离反向激光对泵浦激光器410性能的影响，通过调整1/2波片430和噪声衰减器440实现泵浦激光器410的光功率稳定。泵浦激光器410发出的线性偏振光通过第二1/4波片450后转换为圆偏振光，之后圆偏振光通过碱金属气室极化87Rb原子，通过自旋交换实现129Xe原子极化。在原子陀螺中，检测光的传输方向与泵浦激光的传输方向垂直。
进一步地，首先打开加热炉470对碱金属气室进行加热，大约半小时后碱金属气室的温度稳定在160℃；然后打开泵浦激光器410，通过光学泵浦进行原子的极化；当极化达到平衡后，进行磁场补偿；之后，将SERF态原子自旋陀螺放置于转台上，施加±10°/s的转速进行陀螺标定；标定完成后，进行短时间的静态测试，通过功率谱密度分析得到转速灵敏度，采用图1所示检测装置预计达到的转速灵敏度为1.0×10-8rad/s/Hz1/2。
需要说明的是，对于本发明中的原子自旋进动检测装置，其中的原子气室模块默认为处于设置好的状态，即其中的原子处于SERF态。
本发明的第二方面提供了一种原子自旋进动检测方法，包括以下步骤：步骤S100，调制偏光光源模块基于施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；通过调制偏光光源模块中的起偏器调整光源发出光束的偏振方向与x轴一致；调制偏光光源模块中的光学相位调制器基于数字调制检测电路施加的设定幅度方波进行偏振光相位的±π/2相位调制，以形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；左旋圆偏振光、右旋圆偏振光经过调制偏光光源模块中的第一1/4波片依次形成偏振方向相互垂直的线偏光；步骤S200，线偏振光经过原子气室模块发生偏转，发生偏转的线偏振光经过偏振分束棱镜形成两个光束；第一探测器、第二探测器分别用于检测两个光束的偏转角度；其中，两个光束的偏振态相互垂直；步骤S300，数字调制检测模块基于第一探测器、第二探测器检测的两个偏转角度进行数字化及差分运算获取4倍光旋角以进行原子自旋进动的高精度检测。
具体地，调制偏光光源模块中的光源发出激光，经过准直透镜实现光束的准直，转动起偏器使检测光束的偏振方向沿x轴，再调整光学相位调制器的光轴，使其与x轴成45度；通过数字调制检测模块在光学位相调制器上施加设定幅度的方波，在方波正负半周期分别实现偏振光相位的±π/2调制，如附图3中的图(a)所示；线偏振光经过光学相位调制器后将在方波正负半周期时间内依次形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，如附图3中的图(b)所示；调整第一1/4波片使其光轴沿x轴，经过第一1/4波片后将在方波正负半周期时间内依次形成偏振方向相互垂直的线偏光，正负半周期内线偏光的偏振方向与x轴成±45度夹角，如附图3中的图(c)所示；线偏振光经过原子气室模块后偏振面发生偏转，调整偏振分束棱镜使其光轴沿x轴，线偏振光经过偏振分束棱镜后分成两束光束，之后分离的两光束分别由第一探测器和第二探测器进行探测，两个探测器把电信号转换成电压信号，然后通过数字调制检测模块中的数字调制检测电路进行差分运算，得到±2θ的方波输出，如附图3中的图(d)所示；输出方波的两个半周期相减可以得到4θ输出，从而实现原子自旋进动的高精度检测。
在本发明中，数字调制检测模块中的数字调制检测电路集成了信号调制、差分运算、信号解调等功能，采用±π/2方波调制实现调制，通过差分检测模块获得两路互补的数字信号，经过数字调制检测电路，输出准确的光旋角信息；其中，对第一探测器、第二探测器的探测光强进行差分运算后得到幅度为2θ的方波输出，对输出方波的两个半周期相减可以得到4θ，最终输出为4倍光旋角。
下面结合琼斯矩阵以及附图3进一步说明本发明。
光源的琼斯矩阵为：
Ex、Ey分别为检测光矢量在x、y轴的分量。
起偏器的偏振方向沿x轴，其琼斯矩阵为：
光学相位调制器可以等效为时间相关的波片，光学相位调制器的光轴与x轴夹角为α、调制相位为δ(t)时，其琼斯矩阵为：
调整光学相位调制器使其光轴与x轴夹角α为45度，由式子(3)可得光学相位调制器的琼斯矩阵为：
通过数字调制检测模块在光学位相调制器上施加设定幅度的方波，在方波正负半周期分别实现偏振光相位的±π/2调制，如附图3中的图(a)；
线偏振光经过光学相位调制器后将在方波正负半周期时间内依次形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，如附图3中的图(b)所示；
第一1/4波片光轴与起偏器光轴夹角为0度，其琼斯矩阵为：
左旋圆偏振光和右旋圆偏振光次经过第一1/4波片后在方波正负半周期时间内依次形成偏振方向相互垂直的线偏光，正负半周期内线偏光的偏振方向与x轴的夹角为±45度，如附图3中的图(c)所示；
线偏振光经过原子气室的偏振面旋转角度为θ，则原子气室的琼斯矩阵为：
偏振分束棱镜的光轴与起偏器光轴的夹角为0度；线偏振光经过偏振分束棱镜后分成两光束，两线偏振光的偏振态相互垂直，因此偏振分束棱镜可以看作两个偏振方向垂直的偏振器，其琼斯矩阵分别：
第一探测器的光矢量Eout1为：
第一探测器的光强I1为：
第二探测器的光矢量Eout2为：
第二探测器的光强I2为：
当调制相位
时，由式子(10)可得
当调制相位
时，由式子(12)可得
进行差分运算可得
当调制相位
时，由式子(10)可得
当调制相位
时，由(12)可得
进行差分运算可得：
由式子(15)、(18)可见对于±π/2相位调制，进行差分可以得到±sin 2θ输出，在SERF原子磁强计和SERF原子自旋陀螺中光旋角一般在10-6rad-10-8rad，本发明针对小角度的光旋角而言，满足±sin 2θ≈±2θ；因此，差分输出为幅度为2θ的方波，如附图3中的图(d)所示，对输出方波的两个半周期相减ΔA＝A2-A1＝2 sin 2θ≈4θ，即得到输出为4倍的光旋角。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种原子自旋进动检测装置，其特征在于，该检测装置包括调制偏光光源模块、原子气室模块、差分检测模块和数字调制检测模块，所述调制偏光光源模块、所述差分检测模块均可与所述数字调制检测模块通信连接；
所述调制偏光光源模块基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，所述设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；
所述差分检测模块用于检测所述线偏振光通过所述原子气室模块后偏振面的偏转角度；所述差分检测模块包括偏振分束棱镜、第一探测器和第二探测器，所述第一探测器、所述第二探测器分别用于检测通过所述偏振分束棱镜形成的两个光束的偏转角度；
所述数字调制检测模块基于所述第一探测器、所述第二探测器检测的偏转角度信息，通过数字化及差分运算获取4倍光旋角以实现原子自旋进动的高精度检测。
2.根据权利要求1所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，所述调制偏光光源模块包括依次设置的光源、准直透镜、起偏器、光学相位调制器和第一1/4波片，所述光学相位调制器的主轴与所述起偏器的光轴的夹角为45度；所述第一1/4波片的主轴与所述起偏器的光轴夹角为0度。
3.根据权利要求2所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，所述光源的尾纤连接设置于所述准直透镜的焦点。
4.根据权利要求2所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，所述光学相位调制器为铌酸锂电光调制器。
5.根据权利要求1所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，所述设定幅度方波为±π/2相位调制方波。
6.根据权利要求5所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，所述线偏振光为在所述±π/2位调制方波的正负半周期内偏振方向与x轴呈±45度夹角的线偏振光。
7.一种原子自旋进动检测方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-6中任一项所述的原子自旋进动检测装置，包括以下步骤：
步骤S100，所述调制偏光光源模块基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行相位调制，以获取设定偏振方向的线偏振光；其中，所述设定偏振方向为相互垂直的偏振方向；
步骤S200，所述线偏振光经过所述原子气室模块发生偏转；发生偏转的所述线偏振光经过所述偏振分束棱镜形成两个光束；所述第一探测器、所述第二探测器分别用于检测两个光束的偏转角度；其中，两个光束的偏振态相互垂直；
步骤S300，所述数字调制检测模块基于所述第一探测器、所述第二探测器检测的两个偏转角度进行数字化及差分运算获取4倍光旋角以进行原子自旋进动的高精度检测。
8.根据权利要求7所述的原子自旋进动检测方法，其特征在于，其特征在于，步骤S100中“获取设定偏振方向的线偏光”的获取方法为：
通过所述调制偏光光源模块中的起偏器调整光源发出光束的偏振方向与x轴一致；
所述调制偏光光源模块中的光学相位调制器基于所述数字调制检测模块施加的设定幅度方波进行偏振光相位的±π/2相位调制，以形成左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；
所述左旋圆偏振光、所述右旋圆偏振光经过所述调制偏光光源模块中的第一1/4波片依次形成偏振方向相互垂直的线偏光。
9.根据权利要求8所述的原子自旋进动检测方法，其特征在于，该检测方法中4倍光旋角的获取方法如下：
当调制相位
为π/2时，所述数字调制检测模块通过差分运算得到
当调制相位
为-π/2时，通过差分运算得到
则ΔA＝A2-A1＝2sin 2θ＝4θ，其中θ为线偏振光经过原子气室的偏振面旋转角度。
10.根据权利要求9所述的原子自旋进动检测装置，其特征在于，
其中，I1为第一探测器的光强；
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