CN112051411A - 一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，包括：光源、非线性分束器、第一环形器、第一调制器、光纤环、第二环形器、第二调制器、非线性合束器和探测器。本发明对光源光进行非线性的分束，而后两束光经过对称性均匀性的传播路径，最大程度上降低了两路光的相位差，可实现载体角速度超高灵敏度的测量，具备测量极其微小的载体角速度变化的特征，可以突破标准量子极限

(N是指入射端平均光子数)的特点。

Description

一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置

技术领域

本发明属于非线性光学、量子光学及精密测量技术领域，尤其涉及一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置。

背景技术

角运动测量装置在航空、航海、航天等各个领域均有着广泛的应用。传统干涉仪中，使用的是线性分、合束器，对光源入射光进行分光及合并，但是这种光的分、合束过程遵循能量守恒，例如一个50:50的分束器，入射光的频率、强度分别为f₁、A₁，那么经该分束器后两束光的频率和强度均为f₁、A₁/2，即传统分束器对光的频率、强度等特征并无放大作用，而且基于这种分束与合束的干涉仪，其灵敏度受标准量子极限制约，难以实现超高精度。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，对光源光进行非线性的分束，而后两束光经过对称性均匀性的传播路径，最大程度上降低了两路光的相位差，提高了系统的测量精度。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，包括：光源、非线性分束器、第一环形器、第一调制器、光纤环、第二环形器、第二调制器、非线性合束器和探测器；其中，光源发出的出射光E₀经过第一非线性分束器被分成第一光束E₁和第二光束E₂；第一光束E₁通过第一环形器的p₀₁端口进入，从p₁₁端口出射，进入第一调制器后得到第一次被调制后第一光束E₁₁，第一次被调制后光束E₁₁随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第二调制器，而后通过第二环形器的p₀₂端口进入，从p₁₂端口出射得到第二次被调制后第一光束E₁₂；第二光束E₂通过第二环形器的p₁₂端口进入，从p₀₂端口出射，进入第二调制器后得到第一次被调制后第二光束E₂₁，随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第一调制器，而后通过第一环形器的p₁₁端口进入，从p₀₁端口出射得到第二次被调制后第二光束E₂₂；从第二环形器的p₁₂端口出射的第二次被调制后第一光束E₁₂与从第一环形器的p₀₁端口出射的第二次被调制后第二光束E₂₂通过第二非线性合束器进行合束，最后利用探测器探测信号光。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，出射光E₀的表达式为：

其中，E₀为激光光源所发出原始光场信号，E₀为其振幅，i为虚部单位，w₀为光场频率，φ₀为光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，E₁为第一光束的光场，E₁为第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁为第一光束的光场频率，φ₁为第一光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，E₂为第二光束的光场，E₂为第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂为第二光束的光场频率，φ₂为第二光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，第一次被调制后第一光束E₁₁的表达式为：

其中，E₁₁为第一次被调制后第一光束的光场，E₁₁为第一次被调制后第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁₁为第一次被调制后第一光束的光场频率，φ₁₁为第一次被调制后第一光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，第二次被调制后第一光束E₁₂的表达式为：

其中，E₁₂为第二次被调制后第一光束的光场，E₁₂为第二次被调制后第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁₂为第二次被调制后第一光束的的光场频率，φ₁₂为第二次被调制后第一光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，第一次被调制后第二光束E₂₁的表达式为：

其中，E₂₁表示第一次被调制后第二光束的光场，E₂₁为第一次被调制后第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂₁为第一次被调制后第二光束的光场频率，φ₂₁为第一次被调制后第二光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，第二次被调制后第二光束E₂₂的表达式为：

其中，E₂₂表示第二次被调制后第二光束的光场，E₂₂为第二次被调制后第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂₂为第二次被调制后第二光束的光场频率，φ₂₂为第二次被调制后第二光束的光场相位，t为时间。

上述基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置中，第二次被调制后第一光束E₁₂和第二次被调制后第二光束E₂₂的相位差为：Δφ＝φ₁₂-φ₂₂＝8πNSΩ/cλ；

其中，S表示光纤环面积，N表示光纤环的绕制圈数，c为光速，λ为入射激光光源波长，Ω为干涉装置所处的载体转速。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明采用将非线性分、合束器与Sagnac光纤环结合的方式，可实现载体角速度超高灵敏度的测量，具备测量极其微小的载体角速度变化的特征，可以突破标准量子极限

(N是指入射端平均光子数)的特点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置的结构示意图。如图1所示，该基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置包括：光源、非线性分束器、第一环形器、第一调制器、光纤环、第二环形器、第二调制器、非线性合束器和探测器；其中，

光源发出的出射光E₀经过第一非线性分束器被分成第一光束E₁和第二光束E₂；

第一光束E₁通过第一环形器的p₀₁端口进入，从p₁₁端口出射，进入第一调制器后得到第一次被调制后第一光束E₁₁，第一次被调制后光束E₁₁随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第二调制器，而后通过第二环形器的p₀₂端口进入，从p₁₂端口出射得到第二次被调制后第一光束E₁₂；

第二光束E₂通过第二环形器的p₁₂端口进入，从p₀₂端口出射，进入第二调制器后得到第一次被调制后第二光束E₂₁，随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第一调制器，而后通过第一环形器的p₁₁端口进入，从p₀₁端口出射得到第二次被调制后第二光束E₂₂；

从第二环形器的p₁₂端口出射的第二次被调制后第一光束E₁₂与从第一环形器的p₀₁端口出射的第二次被调制后第二光束E₂₂通过第二非线性合束器进行合束，最后利用探测器探测信号光。

显然两束光E₁和E₂经过的是两条对称性均匀性的传播路径，所用的两次调制器一致，使得两路光的相位差仅取决于经光纤环产生的相位差，即Δφ＝φ₁₂-φ₂₂＝8πNSΩ/cλ，其中S表示光纤环面积，N表示光纤环的绕制圈数，从而最大程度上减小了调制器引进的两束光的相位差。

第一环形器的一端(图1中的左端)设置有p₀₁端口，第一环形器的另一端(图1中的右端)设置有p₁₁端口，第二环形器的一端(图1中的左端)设置有p₁₂端口，第一环形器的另一端(图1中的右端)设置有p₀₂端口。

出射光E₀的表达式为：

其中，E₀为激光光源所发出原始光场信号，E₀为其振，i为虚部单位，w₀为光场频率，φ₀为光场相位，t为时间；，

第一光束E₁的表达式为：

其中，E₁为激光光源E₀经非线性分束器后所得的第一光场信号，E₁为第一光场振幅，i为虚部单位，w₁为第一光场频率，φ₁为第一光场相位，t为时间；

第二光束E₂的表达式为：

其中，E₂表示激光光源E₀经非线性分束器后所得的第二光场信号，E₂为第二光场振幅，i为虚部单位，w₂为第二光场频率，φ₂为第二光场相位，t为时间；

第一光束被第一次调制后光束E₁₁的表达式为：

其中，E₁₁为第一光场信号E₁经过第一调制器后被调制的信号，E₁₁为调制后的光场振幅，i为虚部单位，w₁₁为调制后的光场频率，φ₁₁为光场相位，t为时间；

第一光束被第二次调制后光束E₁₂的表达式为：

其中，E₁₂为第一光束E₁第一次被调制后光场信号E₁₁在经第二调制器后被调制的光束，E₁₂为调制后的光场振幅，i为虚部单位，w₁₂为调制后的光场频率，φ₁₂为光场相位，t为时间；

第二光束被第一次被调制后光束E₂₁的表达式为：

其中，E₂₁表示第二光束E₂经过第二调制器后被调制的信号，E₂₁为光场振幅，i为虚部单位，w₂₁为光场频率，φ₂₁为光场相位，t为时间；

第二光束第二次被调制后光束E₂₂的表达式为：

其中，E₂₂表示第二光束E₂经第二调制器后再次经调第一调制器后被调制的光场，E₂₂为光场振幅，i为虚部单位，w₂₂为光场频率，φ₂₂为光场相位，t为时间；

本实施例中的非线性分束器是指基于参量放大器的光参量放大过程或基于⁸⁵Rb原子的四波混频过程，由于以上过程涉及到光信号的放大过程，故称为非线性分束器，分束后的光子数要大于分束前的光子数。同时，本专利中的非线性合束器则是将两束频率不同的光合并起来，并且两束光在输出端表现出干涉特性。

本实施例使用基于参量放大器的光参量放大过程或四波混频过程，该过程可以对输入的光信号进行放大，还可以将频率不同的两束光合并在一起，实现不同频率光之间的量子关联。

本实施例采用将非线性分、合束器与Sagnac光纤环结合的方式，可实现载体角速度超高灵敏度的测量，具备测量极其微小的载体角速度变化的特征，可以突破标准量子极限

(N是指入射端平均光子数)的特点。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于包括：光源、非线性分束器、第一环形器、第一调制器、光纤环、第二环形器、第二调制器、非线性合束器和探测器；其中，

光源发出的出射光E₀经过非线性分束器被分成第一光束E₁和第二光束E₂；

第一光束E₁通过第一环形器的p₀₁端口进入，从p₁₁端口出射，进入第一调制器后得到第一次被调制后第一光束E₁₁，第一次被调制后光束E₁₁随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第二调制器，而后通过第二环形器的p₀₂端口进入，从p₁₂端口出射得到第二次被调制后第一光束E₁₂；

第二光束E₂通过第二环形器的p₁₂端口进入，从p₀₂端口出射，进入第二调制器后得到第一次被调制后第二光束E₂₁，随后进入光纤环，在光纤环内循环一周后进入第一调制器，而后通过第一环形器的p₁₁端口进入，从p₀₁端口出射得到第二次被调制后第二光束E₂₂；

从第二环形器的p₁₂端口出射的第二次被调制后第一光束E₁₂与从第一环形器的p₀₁端口出射的第二次被调制后第二光束E₂₂通过非线性合束器进行合束，最后利用探测器探测信号光。

2.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：出射光E₀的表达式为：

其中，E₀为激光光源所发出原始光场信号，E₀为其振幅，i为虚部单位，w₀为光场频率，φ₀为光场相位，t为时间。

3.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第一光束E₁的表达式为：

其中，E₁为第一光束的光场，E₁为第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁为第一光束的光场频率，φ₁为第一光束的光场相位，t为时间。

4.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第二光束E₂的表达式为：

其中，E₂为第二光束的光场，E₂为第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂为第二光束的光场频率，φ₂为第二光束的光场相位，t为时间。

5.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第一次被调制后第一光束E₁₁的表达式为：

其中，E₁₁为第一次被调制后第一光束的光场，E₁₁为第一次被调制后第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁₁为第一次被调制后第一光束的光场频率，φ₁₁为第一次被调制后第一光束的光场相位，t为时间。

6.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第二次被调制后第一光束E₁₂的表达式为：

其中，E₁₂为第二次被调制后第一光束的光场，E₁₂为第二次被调制后第一光束的光场振幅，i为虚部单位，w₁₂为第二次被调制后第一光束的的光场频率，φ₁₂为第二次被调制后第一光束的光场相位，t为时间。

7.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第一次被调制后第二光束E₂₁的表达式为：

其中，E₂₁表示第一次被调制后第二光束的光场，E₂₁为第一次被调制后第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂₁为第一次被调制后第二光束的光场频率，φ₂₁为第一次被调制后第二光束的光场相位，t为时间。

8.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第二次被调制后第二光束E₂₂的表达式为：

其中，E₂₂表示第二次被调制后第二光束的光场，E₂₂为第二次被调制后第二光束的光场振幅，i为虚部单位，w₂₂为第二次被调制后第二光束的光场频率，φ₂₂为第二次被调制后第二光束的光场相位，t为时间。

9.根据权利要求1所述的基于非线性光波分束与合束的角运动测量装置，其特征在于：第二次被调制后第一光束E₁₂和第二次被调制后第二光束E₂₂的相位差为：Δφ＝φ₁₂-φ₂₂＝8πNSΩ/cλ；

其中，S表示光纤环面积，N表示光纤环的绕制圈数，c为光速，λ为入射激光光源波长，Ω为干涉装置的载体转速。

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