CN112615251A - 一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法及装置，激光控制器根据控制信号精准控制电流和温度，使原子陀螺仪中的激光器输出主光束，将主光束分成两束光，一束作为原子陀螺仪的工作光源，另外一束进一步分成两束光，分别用作为激光功率和频率信号的探测光源；采集用于激光功率信号探测光源的光强信息，利用该信息通过PID控制原子陀螺仪的主光束，实现原子陀螺仪激光功率稳定控制；在激光功率稳定情况下，即不改变控制温度，只修改控制电流，利用作为频率信号的探测光源透光原子气室，采用线性吸收稳频的方式通过PID控制激光控制器的控制电流，进而实现激光频率的稳定控制。

Description

一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法及 装置
技术领域
本发明提出了一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定装置，属于激光频率和功率稳定技术领域。
背景技术
半导体激光器是原子陀螺仪的核心器件。泵浦激光用于激发碱金属原子极化，探测激光用于探测原子自旋进动信号。激光的频率和功率存在扰动时，直接影响碱金属原子极化率和原子自旋进动信号的大小，最终影响原子陀螺仪的零偏稳定性和标度因数等重要参数指标。控制激光器出光的频率和功率的稳定性是提高原子陀螺仪性能的重要途径。
半导体激光器的出光频率主要受温度和电流的影响。当时外部的温度、湿度等环境因素发现微小变化时，激光频率和功率会随之发生漂移和变化。通过饱和吸收稳频或者线性稳频等方法来调整激光器电流，可以控制激光频率的稳定性。同时电流的变化直接影响了光功率的变化，利用液晶延迟器来调节输出激光的偏振面，控制激光功率的稳定性。但上述方法的光路实现复杂，不利于原子陀螺仪的小型化。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，设计了一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率稳定装置。结合原子陀螺仪的现有光路结构，在原子陀螺仪的主光路中分出两束光，分别用于激光频率和功率的反馈控制，实现了装置的模块化、小型化设计。
本发明解决技术的方案是：一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法，通过下述方式实现：
激光控制器根据控制信号精准控制电流和温度，使原子陀螺仪中的激光器输出主光束，将主光束分成两束光，一束作为原子陀螺仪的工作光源，另外一束进一步分成两束光，分别用作为激光功率和频率信号的探测光源；
采集用于激光功率信号探测光源的光强信息，利用该信息通过PID控制原子陀螺仪的主光束，实现原子陀螺仪激光功率稳定控制；
在激光功率稳定情况下，即不改变控制温度，只修改控制电流，利用作为频率信号的探测光源透光原子气室，采用线性吸收稳频的方式通过PID控制激光控制器的控制电流，进而实现激光频率的稳定控制。
优选的，激光频率的稳定控制的具体实现方式如下：
步骤201：在确保激光温度稳定的情况下，向控制电流加入三角波进行扫频，通过调节三角波的幅值和直流偏置，从而使透光原子气室的光谱信号中仅有一个与目标频率对应的极窄吸收峰；
步骤202：将三角波转变为1kHz～10kHz的正弦波，判断激光频率是否稳定在目标值上，若稳定完成控制，否则执行步骤203；
步骤203：激光频率未稳定在目标值时，得到的光谱信号为左右不对称的半正弦波，将左右不对称的半正弦波的幅值作差并将其当成反馈信号进行PID控制，得出负反馈控制信号，并以控制电流的形式输出到激光控制电路，进而实现激光频率的稳定控制。
优选的，激光控制器的激光控制电流为正常工作电流的120％。
一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定装置，包括激光控制电路、DBR激光器、光隔离器、1/2波片、液晶延迟器、检偏器、偏振分束棱镜、光电探测器、反馈信号处理电路一、原子气室、反馈信号处理电路二；
激光控制电路根据控制信号精准控制电流和温度使DBR激光器输出主光束；主光束经过光隔离器后，再通过1/2波片将激光转变为线偏振光，液晶延迟器调节激光的偏振面，经检偏器将部分偏振光遮挡，调整输出激光的功率；偏振分束棱镜一从主光束中分出一束光后再经偏振分束棱镜二分出两束光，分别用于激光功率和频率信号探测；偏振分束棱镜二的反射光被光电探测器接收并转换成电信号传输给反馈信号处理电路一；反馈信号处理电路一根据反馈信号输出控制电压给液晶延迟器调节激光的偏振面，实现激光功率的稳定控制；偏振分束棱镜二的透射光进入原子气室后，到达光电探测器，由光电探测器采集到的经原子气室中的碱金属吸收后得到的光谱信号，转换成的电信号输入给反馈信号处理电路二，反馈信号处理电路二根据采集到的电信号进行数字稳频处理，并向激光器控制器输出控制信号，实现激光频率稳定控制。
优选的，偏振分束棱镜一将主激光分为两束，透射光为入射光强的90％，作为原子陀螺仪的工作光源，反射光为入射光强的10％，作为激光功率和频率信号的探测光源；偏振分束棱镜二将通过偏振分束棱镜一的反射光分为两束，透射光为入射光强的50％，作为激光功率信号的探测光源，反射光为入射光强的50％，作为激光频率信号的探测光源。
优选的，所述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，透光的光强与入射偏振光偏振面和光轴夹角存在余旋关系。
优选的，所述原子气室内部只填充碱金属原子，碱金属原子与陀螺工作原子气室中的碱金属相同，确保激光可同时极化原子气室和陀螺工作原子气室；陀螺工作原子气室的内部压强应大于原子气室。
优选的，还包括加热装置，通过加热装置时原子气室温度控制在设定范围内。
优选的，所述的加热装置包括无磁加热片，温度传感器和温度控制电路；
无磁加热片根据温度控制电流为原子气室进行加热；
温度传感器用于实时测量原子气室温度，并将其转化成电信号反馈给温度控制电路；
温度控制电路根据反馈的温度信号，输出温度控制电流，将原子气室温度控制在设定范围内。
优选的，无磁加热片紧贴原子气室安装，原子气室温度控制在60℃～150℃范围内。
优选的，液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度θ控制范围为0≤θ≤90度。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用激光稳频模块和激光稳功率模块相结合，同时实现激光的稳频稳功率的功能，适用于原子陀螺仪的小型化设计。
(2)本发明采用先稳频后稳功率的设计方案，在控制激光器温度稳定的前提下，只在激光稳频控制过程中修改激光控制电流，避免了两个模块之间的相互耦合，使整个装置的控制更具有可操作性。
(3)本发明从原子陀螺仪主光路中分出两束光，分别作为激光频率和功率信号的探测光源，由于在激光稳频光路中添加激光稳功率回路，避免了两个模块独立实现带来的复杂光路。
(4)本发明采用了线性吸收稳频的方法，直接检测透过原子气室的激光信息，避免了饱和吸收稳频带来的复杂光路。
(5)本发明采用纯碱金属的气室进行激光稳频，将激光频率锁定在碱金属D1线吸收峰上，可以得到比原子陀螺仪工作气室更窄的线宽，实现更高精度的频率稳定控制。
(6)本发明的两个模块的反馈信息处理电路结构类似，可在同一电路板上共用同一处理芯片，采用数字PID控制算法，相较于传统的模拟PID控制，大大降低了整个装置控制电路的复杂程度，有利于原子陀螺仪的小型化设计。
附图说明
图1为本发明装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明主要包括光学系统和电路系统两部分，两部分通过电线连接。光学系统包含1/2波片、液晶延迟器、检偏器、加热装置、原子气室和光电探测器，电路系统包含温控系统和信号处理系统。本发明主要思路是通过在原子陀螺仪主光束中增加一个液晶延迟器和检偏器，通过调节液晶延迟器的输入电压实现对激光功率的稳定控制。从原子陀螺仪分出一束光通过一个只包含碱金属的原子气室，产生窄的吸收峰从而实现高稳定性的频率稳定，配合电路系统对泵浦光的输出光频率进行稳频控制，实现高稳定的频率稳定。该发明克服了原有原子陀螺仪激光稳频稳功率的复杂光路，在主光束中分出两束光，使激光稳频和稳功率的光路相结合，整体结构简单、易于实现，适用于原子陀螺仪的模块化和小型化设计。
如图1所示，一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定装置，包括激光控制电路1，用于精准控制激光器的温度与电流；DBR激光器2，为原子陀螺提供高功率单色激光；光隔离器3，使激光单向通过，保护激光器不受损害；1/2波片4，将激光转变为线偏振光；液晶延迟器5，用于调节激光的偏振面；检偏器6，使具有相应偏振面的激光通过，从而调节其输出光强；偏振分束棱镜一7，用于从主激光中分出一束光用于激光信号检测；偏振分束棱镜二8，用于分出两束光，分别用于激光功率和频率信息检测；光电探测器一9，将采集到的激光光强信息转换成电信号；反馈信号处理电路一10，接收和处理激光光强信号，输出激光稳功率的控制信号；反射镜11，反射入射光；原子气室12，用于吸收原子陀螺所需频率的激光；加热装置13，对原子气室进行加热，使其温度稳定在预设范围内；光电探测器二14，将工作原子气室后的激光信号转换成电信号；反馈信号处理电路二15，接收和处理光电探测信号，输出激光稳频的控制信号。
本发明为原子陀螺仪设计一套激光稳频稳功率的装置。在保证高精度控制的同时，尽可能的简化光路，实现装置的模块化、小型化设计。
本发明的实现原理为：激光控制电路1根据控制信号精准控制电流和温度使DBR激光器2输出主光束。主光束经过光隔离器3后，再通过1/2波片4将激光转变为线偏振光，液晶延迟器5调节激光的偏振面，经检偏器6将部分偏振光遮挡，调整输出激光的功率。偏振分束棱镜一7从主光束中分出一束光后再经偏振分束棱镜二8分出两束光，分别用于激光功率和频率信号探测。偏振分束棱镜二8的反射光被光电探测器一9接收并转换成电信号传输给反馈信号处理电路10。反馈信号处理电路10根据反馈信号输出控制电压给液晶延迟器5调节激光的偏振面，实现高精度激光功率的稳定控制。偏振分束棱镜二8的透射光进入原子气室12后，到达光电探测器二14。由光电探测器二14采集到的经稳频原子气室12中的碱金属吸收后得到的光谱信号，转换成的电信号输入给反馈信号处理电路二15。反馈信号处理电路二15根据采集到的电信号进行数字稳频处理，并向激光器控制器1输出控制信号，实现高精度激光频率稳定控制。
本发明中，为确保激光稳频稳功率装置输出给原子陀螺仪的激光功率不受激光分束的影响，能够满足对陀螺工作原子气室中碱金属的极化率，可将激光控制电流提升至正常工作电流的120％，从而增大激光器输出的初始功率。
本发明中，光隔离器3用于防止反射光对激光器造成损坏。激光经过1/2波片4后成为线偏振光。偏振分束棱镜一7从主光束中分出两束光，其中透射光强为入射光强的90％，用于为后续装置提供光源，反射光强为入射光强的10％。偏振分束棱镜二8从上述反射光中分出两束光，其中透射光强为入射光强的50％，用于为后续装置提供光源，反射光强为入射光强的50％。
本发明中，原子气室12内部只填充碱金属原子，碱金属原子与陀螺工作原子气室中的碱金属相同。由于陀螺工作原子气室还含有惰性气体与缓冲气体，因而工作原子气室的内部压强应大于原子气室12，进而工作原子气室的线宽很宽，原子气室12则具有更窄的碱金属吸收峰，有利于更高精度的稳频。
本实例中的加热装置由三部分组成，无磁加热片紧贴着原子气室12安装，用于加热原子气室12，同时利用无磁加热系统可以避免对陀螺所处的磁场环境造成干扰；温度传感器用于实时测量稳频原子气室温度；温度控制电路根据温度传感器反馈的温度信号，输出温度控制电流，将稳频原子气室温度控制在60℃～150℃范围内，控制精度为0.1℃以内。
本发明采用的液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度θ控制范围为0≤θ≤90度。检偏器6让同检偏器6光轴平行的线偏振光完全透过，让同检偏器6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旋关系。
本发明中反馈信号处理电路一10和反馈信号处理电路二15采用类似的硬件结构，将光电探测器传来的电流信号进行I－V转换变成电压信号，经模数采样、滤波、放大处理后传输给数字处理芯片。
本发明激光稳功率的步骤如下：
步骤101：经过光隔离器3的激光穿过1/2波片4和液晶延迟器5，用以调节输出激光的偏振面，通过液晶延迟器5的激光再穿过检偏器6。
步骤102：通过检偏器的激光经过偏振分束棱镜一7将小部分的光反射到光电探测器一9采集光强信息，剩余大部分透射光作为原子陀螺仪的工作光源。
步骤103：将光电探测器一9采集的光强信息输入到反馈信号处理电路一10中，通过PID反馈控制调节液晶延迟器5偏转激光的偏振面，利用检偏器6调节其后的输出光强。
本发明激光稳频的步骤如下：
步骤201：在确保激光温度稳定的情况下，向激光的控制电流加入三角波进行扫频，通过调节三角波的幅值和直流偏置，从而使光电探测器二14得到的光谱信号中仅有一个与目标频率对应的极窄吸收峰。
步骤202：将三角波转变为1kHz～10kHz的正弦波，若激光频率并未稳定在目标值上，则得到的光谱信号为左右不对称的半正弦波，反之则说明激光频率稳定在目标值上。
步骤203：当左右的半正弦波不对称时，将两者的幅值作差并将其当成反馈信号输入给PID控制器，经计算得出负反馈控制信号，并以控制电流的形式输出到激光控制电路1，进而实现激光频率的稳定控制。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (11)

1.一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法，其特征在于通过下述方式实现：
激光控制器根据控制信号精准控制电流和温度，使原子陀螺仪中的激光器输出主光束，将主光束分成两束光，一束作为原子陀螺仪的工作光源，另外一束进一步分成两束光，分别用作为激光功率和频率信号的探测光源；
采集用于激光功率信号探测光源的光强信息，利用该信息通过PID控制原子陀螺仪的主光束，实现原子陀螺仪激光功率稳定控制；
在激光功率稳定情况下，即不改变控制温度，只修改控制电流，利用作为频率信号的探测光源透光原子气室，采用线性吸收稳频的方式通过PID控制激光控制器的控制电流，进而实现激光频率的稳定控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光频率的稳定控制的具体实现方式如下：
步骤201：在确保激光温度稳定的情况下，向控制电流加入三角波进行扫频，通过调节三角波的幅值和直流偏置，从而使透光原子气室的光谱信号中仅有一个与目标频率对应的极窄吸收峰；
步骤202：将三角波转变为1kHz～10kHz的正弦波，判断激光频率是否稳定在目标值上，若稳定完成控制，否则执行步骤203；
步骤203：激光频率未稳定在目标值时，得到的光谱信号为左右不对称的半正弦波，将左右不对称的半正弦波的幅值作差并将其当成反馈信号进行PID控制，得出负反馈控制信号，并以控制电流的形式输出到激光控制电路，进而实现激光频率的稳定控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激光控制器的激光控制电流为正常工作电流的120％。
4.一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定装置，其特征在于：包括激光控制电路、DBR激光器、光隔离器、1/2波片、液晶延迟器、检偏器、偏振分束棱镜、光电探测器、反馈信号处理电路一、原子气室、反馈信号处理电路二；
激光控制电路根据控制信号精准控制电流和温度使DBR激光器输出主光束；主光束经过光隔离器后，再通过1/2波片将激光转变为线偏振光，液晶延迟器调节激光的偏振面，经检偏器将部分偏振光遮挡，调整输出激光的功率；偏振分束棱镜一从主光束中分出一束光后再经偏振分束棱镜二分出两束光，分别用于激光功率和频率信号探测；偏振分束棱镜二的反射光被光电探测器接收并转换成电信号传输给反馈信号处理电路一；反馈信号处理电路一根据反馈信号输出控制电压给液晶延迟器调节激光的偏振面，实现激光功率的稳定控制；偏振分束棱镜二的透射光进入原子气室后，到达光电探测器，由光电探测器采集到的经原子气室中的碱金属吸收后得到的光谱信号，转换成的电信号输入给反馈信号处理电路二，反馈信号处理电路二根据采集到的电信号进行数字稳频处理，并向激光器控制器输出控制信号，实现激光频率稳定控制。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：偏振分束棱镜一将主激光分为两束，透射光为入射光强的90％，作为原子陀螺仪的工作光源，反射光为入射光强的10％，作为激光功率和频率信号的探测光源；偏振分束棱镜二将通过偏振分束棱镜一的反射光分为两束，透射光为入射光强的50％，作为激光功率信号的探测光源，反射光为入射光强的50％，作为激光频率信号的探测光源。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述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，透光的光强与入射偏振光偏振面和光轴夹角存在余旋关系。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述原子气室内部只填充碱金属原子，碱金属原子与陀螺工作原子气室中的碱金属相同，确保激光可同时极化原子气室和陀螺工作原子气室；陀螺工作原子气室的内部压强应大于原子气室。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：还包括加热装置，通过加热装置时原子气室温度控制在设定范围内。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述的加热装置包括无磁加热片，温度传感器和温度控制电路；
无磁加热片根据温度控制电流为原子气室进行加热；
温度传感器用于实时测量原子气室温度，并将其转化成电信号反馈给温度控制电路；
温度控制电路根据反馈的温度信号，输出温度控制电流，将原子气室温度控制在设定范围内。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：无磁加热片紧贴原子气室安装，原子气室温度控制在60℃～150℃范围内。
11.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：液晶延迟器控制激光偏振面偏转角度θ控制范围为0≤θ≤90度。
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