CN113432589B - 一种基于双消偏振分光棱镜的光功率稳定控制装置及方法 - Google Patents

一种基于双消偏振分光棱镜的光功率稳定控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置及方法，首先将激光器输出的激光分为两束，其中一束作为液晶光功率稳定控制模块的输入，另一束激光入射到一个由辅助消偏振分光棱镜(NPBS)和两个光电探测器组成的分光比监测模块。分光比监控模块实时监测分光比波动，并将波动信号输入到光功率控制系统的电子控制单元中，电子控制单元根据分光比波动和反馈光功率信号计算光功率衰减器的控制电压，从而实现环境温度波动情况下的环外检测光功率稳定控制。本发明只需在原有光路中增加一个辅助的NPBS即可实现分光器件分光比波动误差抑制，在维持光路小型化的基础上进一步提高环外入射气室的检测光功率稳定性，提高SERF惯性测量精度。

Description

一种基于双消偏振分光棱镜的光功率稳定控制装置及方法
技术领域
本发明涉及激光功率稳定控制技术领域，具体涉及一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置及方法，可用于SERF原子自旋惯性测量的检测系统，抑制环境温度变化引起的分光器件分光比波动误差，提高环外入射原子气室的检测光功率稳定性，减小SERF原子自旋惯性测量系统输出信号的漂移。
背景技术
随着量子技术的发展，利用原子自旋进行惯性测量是未来重要的发展方向之一，其中SERF原子自旋惯性测量系统的理论精度可达10-8°/h，但目前实际达到的精度与理论精度之间存在较大差距，其中光功率波动误差是制约其精度进一步提升的主要误差源之一。因此研究高性能的检测光功率稳定控制具有重要意义。
SERF惯性测量中常用基于液晶的检测光功率稳定控制方案，该方案利用了一个分光器件进行分光且实现了反馈环内的有效光功率闭环控制，由于分光器件的分光比极易受环境温度波动影响，使处于反馈环外入射原子气室的检测光功率稳定性受到极大限制，难以实现高精度的惯性信号测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有液晶稳光功率方法只能有效稳定控制反馈环内光功率，而环外光功率控制精度易受温度影响的不足，提出一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，在保证光路小体积的前提下，抑制了由于环境温度波动导致的分光器件误差，显著提高了环外检测光功率稳定性，实现高精度的SERF原子自旋惯性测量。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，包括检测激光器、1/2波片、由第一格兰泰勒棱镜、液晶相位延迟器、第二格兰泰勒棱镜、第一消偏振分光棱镜、电控系统、参考电压和第三光电探测器构成的检测光功率稳定控制模块；原子气室、磁屏蔽筒、由第一光电探测器、第二消偏振分光棱镜、第二光电探测器、乘法器构成的检测系统分光器件误差实时抑制系统。检测激光器出射的检测激光经1/2波片和第一格兰泰勒棱镜分成两束，一束经液晶相位延迟器进入检测光功率稳定控制模块，并在第一消偏振分光棱镜处再次分成两束激光，一束由第三光电探测器探测转换为电信号后进行检测光功率的稳定闭环控制，另一束闭环控制环外光则入射至磁屏蔽筒中的原子气室中进行SERF原子自旋惯性信号的检测；经第一格兰泰勒棱镜分成的另一束激光入射至第二消偏振分光棱镜，并由第一光电探测器和第二光电探测器探测转为电信号，两路探测信号反馈至乘法器与由第三光电探测器探测的信号进行运算处理，实现分光器件的波动误差实时抑制，处理结果与参考电压进行对比产生误差信号，该误差使电控系统输出PID控制电压并作用在液晶相位延迟器上实现检测光功率的稳定闭环控制。
其中，第一格兰泰勒棱镜的透光轴要与第二格兰泰勒棱镜的透光轴垂直，二者处于消光状态；液晶的快轴与第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜的透光轴分别成45°，以构成检测光功率衰减器。
所述第一格兰泰勒棱镜可以选用偏振分光棱镜(PBS)替代，为保证高性能的光功率稳定效果，第二格兰泰勒棱镜则不能使用消光比较低的PBS替代。
所述第一消偏振分光棱镜与第二消偏振分光棱镜作为分光器件，也可以使用1/2波片加PBS或1/2波片加格兰泰勒棱镜等分光器件替代。
选择第二消偏振分光棱镜的分光比等性能参数时，应选取与第一消偏振分光棱镜相同的性能参数，这样由作为辅助器件的第二消偏振分光棱镜测得的分光比波动误差更能准确地反映第一消偏振分光棱镜的分光比波动误差，从而提高分光器件误差实时抑制系统对该项误差的抑制能力。
本发明的原理是：基于液晶的检测稳光功率模块中利用分光器件将检测光分为两路，一路用于闭环反馈控制(环内)，另一路(环外)用于SERF惯性信号测量。对于环内光路，由起偏器、液晶及检偏器构成光衰减模块，并利用液晶的电控双折射效应，通过电控系统中的PID控制调节液晶的控制电压，从而改变透过液晶的透射光功率，即可将环内光功率牢牢地锁定在参考电压上，实现环内稳光功率。对于性能固定的分光器件而言，分出的两束激光变化趋势一致，利用液晶稳光功率技术将环内光功率稳定后，环外光功率理论上的稳定度与环内一致。然而，实际实验中所用的分光器件分光比随着入射激光波长、环境温度等波动变化而变化，造成环外用于信号测量的检测光功率稳定性远差于环内的稳光功率性能。本发明通过在进入液晶稳光功率模块前增加一个辅助的分光器件，并利用一部分激光器出射的激光对该分光器件的分光比波动进行实时测量，并将测量结果实时输入至电控回路，利用乘法器修正由于分光比波动造成的误差，后与参考电压进行对比并通过电控系统实现环内的稳光功率。经修正后的环外光功率表达式中不再包含分光器件分光比这一变量，实现了分光器件误差的实时抑制，从而显著提升了环外的检测光功率稳定性，大幅度抑制了SERF原子自旋惯性测量系统输出信号的漂移。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过实时测量并反馈分光器件的分光比波动误差，抑制环境温度波动引起的液晶光功率稳定控制模块环外检测光功率波动，进而提高原子自旋惯性测量系统输出信号稳定性。首先将激光器输出的激光分为两束，其中一束作为液晶光功率稳定控制模块的输入，另一束激光入射到一个由辅助消偏振分光棱镜(NPBS)和两个光电探测器组成的分光比监测模块。分光比监测模块实时监测分光比波动，并将波动信号输入到光功率控制系统的电子控制单元中，电子控制单元根据分光比波动和反馈光功率信号计算光功率衰减器的控制电压，从而实现环境温度波动情况下的环外检测光功率稳定控制。本发明只需在原有光路中增加一个辅助的NPBS即可实现分光器件分光比波动误差抑制，在维持光路小型化的基础上进一步提高环外入射气室的检测光功率稳定性，显著提升了液晶稳光功率模块环外用于测量惯性信号的检测光功率稳定性能，提高SERF原子自旋惯性测量检测系统的测量精度。
(2)本发明只需在光路上增加一个辅助的分光器件，保证了光路的小型化，结构简单，操作方便，且可以有效抑制分光器件的波动误差；
附图说明
图1为本发明一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置的实施结构框图；
图2为基于本发明利用Simulink搭建的仿真系统，(a)为分光器件误差实时抑制方法的整体仿真系统，(b)为仿真系统内的子系统展开，即分光器件模型；
图3为本发明中使用的检测激光器输出的光功率波动；
图4为原子自旋惯性测量检测系统中分光器件的波动误差；
图5为经过液晶稳光功率后入射至原子气室的环外光功率波动，图中虚线为分光器件误差未经过抑制时的环外光功率波动，实线为使用本发明提出的分光器件误差实时抑制方法后的环外光功率波动。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置的实施结构框图。由图可见，本发明包括检测激光器1；1/2波片2；第一格兰泰勒棱镜3；液晶相位延迟器4；第二格兰泰勒棱镜5；第一消偏振分光棱镜6；原子气室7；磁屏蔽筒8；第一光电探测器9；第二消偏振分光棱镜10；第二光电探测器11；电控系统12；参考电压13；乘法器14；第三光电探测器15。
首先调节光路，使检测激光器出射的检测光经1/2波片和第一格兰泰勒棱镜分成两束，其中透射光经液晶进入检测光功率稳定模块，将第二格兰泰勒棱镜的透光轴放置与第一格兰泰勒棱镜透光轴垂直的位置，旋转液晶的快轴与两个格兰泰勒棱镜的透光轴分别成45°，然后激光进入第一消偏振分光棱镜再次分束，其中反射光由第三光电探测转换为电信号后输入乘法器；同时经第一格兰泰勒棱镜分成的反射光束进入第二消偏振分光棱镜，并由第一光电探测器接收反射光，第二光电探测器接收透射光，两探测器将光信号转为电信号后也反馈至乘法器并与由第三光电探测器探测的信号进行运算处理，运算过程为：第一光电探测器乘以第三光电探测器除以第二光电探测器，从而实现了分光器件的波动误差实时抑制；处理结果与参考电压进行对比产生误差信号，该误差使电控系统输出PID控制电压并作用在液晶上实现检测光功率的稳定闭环控制。
设进入液晶稳光功率模块的检测光功率为P0，入射至第一消偏振分光棱镜的光功率为P，入射至第二消偏振分光棱镜的光功率为P′，消偏振分光棱镜的反射系数为R，透射系数为T，光电探测器转换系数为Gp，参考电压为Vref，PID控制电压为KV，稳功率电控系统电压功率转换系数为η。
则根据光衰减模块的原理，有：
Figure BDA0003096831630000041
由此可得环外的透射光功率为：
Figure BDA0003096831630000042
当环外光功率分母项中KVηGPT＞＞1时，
Figure BDA0003096831630000043
从式中可以明显看出此时环外光功率与分光器件的分光比无关，即达到了分光器件误差抑制的目的。
如图2所示，基于本发明，利用Simulink搭建的仿真系统，(a)为分光器件误差实时抑制方法的整体仿真系统，图中Laser_flu示波器显示的是检测激光器输出激光的光功率波动，Cell示波器显示的是环外光功率的波动情况；(b)为仿真系统内的子系统展开，即分光器件模型，该分光器件分光比设定为7/3，fluctuation示波器显示的是分光器件分光比的波动情况。
图3为图2中的(a)中Laser_flu示波器显示的检测激光器输出的光功率波动，此时检测激光器输出激光的平均功率为1mW，功率波动幅度为0.01mW，波动频率为0.1Hz，即检测激光器输出光功率在0.99～1.01mW之间以0.1Hz的频率波动，光源的相对功率波动为1％；
图4为图2中的(b)中fluctuation示波器显示的原子自旋惯性测量检测系统中分光器件的波动，分光比波动幅值为0.0001，波动频率为0.01Hz，即反射系数在0.2999～0.3001之间以0.01Hz的频率波动；
图5为经过液晶稳光功率后入射至原子气室的环外光功率波动，图中虚线为分光器件误差未经抑制时的环外光功率波动，此时相对功率波动0.043％；实线为使用本发明提出的基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制方法后的环外光功率波动，计算得实时抑制分光比波动后的相对功率波动为0.00071％。可以看出本发明提出方案较传统方法性能提高了6倍。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，其特征在于：包括检测激光器（1）、1/2波片（2）、由第一格兰泰勒棱镜（3）、液晶相位延迟器（4）、第二格兰泰勒棱镜（5）、第一消偏振分光棱镜（6）、电控系统（12）、参考电压（13）和第三光电探测器（15）构成的检测光功率稳定控制模块；原子气室（7）、磁屏蔽筒（8）、由第一光电探测器（9）、第二消偏振分光棱镜（10）、第二光电探测器（11）、乘法器（14）构成的检测系统分光器件误差实时抑制系统；
检测激光器（1）出射的检测激光经1/2波片（2）和第一格兰泰勒棱镜（3）分成两束，一束经液晶相位延迟器（4）进入检测光功率稳定控制模块，并在第一消偏振分光棱镜（6）处再次分成两束激光，一束由第三光电探测器（15）探测转换为电信号后进行检测光功率的稳定闭环控制，另一束闭环控制环外光则入射至磁屏蔽筒（8）中的原子气室（7）中进行SERF原子自旋惯性信号的检测；经第一格兰泰勒棱镜（3）分成的另一束激光入射至第二消偏振分光棱镜（10），并由第一光电探测器（9）和第二光电探测器（11）探测转为电信号，两路探测信号反馈至乘法器（14）与由第三光电探测器（15）探测的信号进行运算处理，第一光电探测器乘以第三光电探测器除以第二光电探测器，实现分光器件的波动误差实时抑制，处理结果与参考电压（13）进行对比产生误差信号，该误差信号使电控系统（12）输出PID控制电压并作用在液晶相位延迟器（4）上实现检测光功率的稳定闭环控制，选择第二消偏振分光棱镜（10）的分光比性能参数时，应选取与第一消偏振分光棱镜（6）相同的性能参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，其特征在于：第一格兰泰勒棱镜（3）的透光轴与第二格兰泰勒棱镜（5）的透光轴垂直，液晶相位延迟器（4）的快轴与第一格兰泰勒棱镜（3）和第二格兰泰勒棱镜（5）的透光轴分别成45°，构成检测光功率衰减器。
3.根据权利要求1所述的一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，其特征在于：第一格兰泰勒棱镜（3）能够选用偏振分光棱镜替代，为保证高性能的光功率稳定效果，第二格兰泰勒棱镜（5）不能使用消光比较低的偏振分光棱镜替代。
4.根据权利要求1所述的一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，其特征在于：第一消偏振分光棱镜（6）与第二消偏振分光棱镜（10）作为分光器件，能够使用1/2波片加偏振分光棱镜或1/2波片加格兰泰勒棱镜分光器件替代。
5.一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制方法，其特征在于：所述方法实现为：检测激光器（1）出射的检测激光经1/2波片（2）和第一格兰泰勒棱镜（3）分成两束，一束经液晶相位延迟器（4）进入检测光功率稳定控制模块，并在第一消偏振分光棱镜（6）处再次分成两束激光，一束由第三光电探测器（15）探测转换为电信号后进行检测光功率的稳定闭环控制，另一束闭环控制环外光则入射至磁屏蔽筒（8）中的原子气室（7）中进行SERF原子自旋惯性信号的检测；经第一格兰泰勒棱镜（3）分成的另一束激光入射至第二消偏振分光棱镜（10），并由第一光电探测器（9）和第二光电探测器（11）探测转为电信号，两路探测信号反馈至乘法器（14）与由第三光电探测器（15）探测的信号进行运算处理，第一光电探测器乘以第三光电探测器除以第二光电探测器，实现分光器件的波动误差实时抑制，处理结果与参考电压（13）进行对比产生误差信号，该误差信号使电控系统（12）输出PID控制电压并作用在液晶相位延迟器（4）上实现检测光功率的稳定闭环控制。
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