CN113959426A - 一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其包括拉曼光准直器、二分之一波片、可变光阑、偏振分光棱镜、45°反射镜、拉曼光反射棱镜、偏振片、衰减片、聚焦透镜、CCD及显示器。本发明的用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及调节方法，通过使用一个顶角为90°的拉曼光反射棱镜对两束空间分离拉曼光进行反射，从根本上提高了两束拉曼光之间的平行度，通过观察光学干涉条纹宽度变化，进一步实现两束拉曼光之间有效波矢的平行度的精细调节，解决原子干涉陀螺仪对拉曼光平行度要求较高的问题。

Description

一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及方法

技术领域

本发明涉及原子干涉技术领域，特别涉及一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置及方法。

背景技术

随着激光冷却和操控技术的进步，基于双光子受激拉曼跃迁技术实现的原子干涉陀螺仪得到快速发展。用以操控原子波包分束与合束的双光子拉曼脉冲由一对波矢相反，且具有特定偏振态组合的光波组成，其频率差与所用碱金属原子波源的两基态能级差相等，通过精细控制拉曼脉冲的频率和持续时间可以使得原子处于叠加态或分离态。当原子受到横向拉曼光作用发生能态转换的同时，可以在横向上改变

的动量，其中k₁和k₂分别为两束相向传播的光波矢。在原子团飞行过程中，在不同位置作用多束拉曼脉冲，可以使原子波包沿两条路径运动并最终会合，从而形成具有一定面积的干涉环路。在干涉过程中受到的科里奥利力作用将通过萨格奈克(Sagnac)效应产生转动相移，测量此相移即可实现转动角速度的测量。

综上所述，在原子干涉陀螺仪中，需要多束空间分离的拉曼脉冲与飞行的原子团作用，从而形成Sagnac干涉环路。拉曼光照射原子团时，原子感受到与拉曼光有效波矢方向一致的反冲动量的作用，如果多束拉曼光之间有效波矢的平行度有偏差，由于动量守恒，最后一个拉曼脉冲作用后两条干涉路径不闭合。根据德布罗意假设，当两条干涉路径交会时的距离小于波源的相干长度时，该物质波干涉仪能够发生干涉。为满足以上条件，需要调节多束拉曼光之间的平行度，使其夹角小于特定允许角，且随干涉时间的增加，该允许角越小。对于通常原子干涉陀螺仪，该允许角一般在μrad量级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，通过使用一个顶角为90°的拉曼光反射棱镜对两束空间分离拉曼光进行反射，从根本上提高了两束拉曼光之间的平行度，通过观察光学干涉条纹宽度变化，进一步实现两束拉曼光之间有效波矢的平行度的精细调节，解决原子干涉陀螺仪对拉曼光平行度要求较高的问题。

本发明的目的还在于提供一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其特征在于：包括拉曼光准直器、二分之一波片、可变光阑、偏振分光棱镜、45°反射镜、拉曼光反射棱镜、偏振片、衰减片、聚焦透镜、CCD及显示器，

所述拉曼光准直器输出经过准直扩束的线偏振的拉曼光，所述拉曼光包含波长相近的两束光，其频率差与原子干涉陀螺仪中所用碱金属原子波源的两基态能级差相等；所述拉曼光通过所述二分之一波片及所述可变光阑后入射至偏振分光棱镜，分成功率相等、偏振正交的两束光：s光及p光；其中s光由偏振分光棱镜反射后穿过原子干涉陀螺仪的真空腔，在所述拉曼光反射棱镜的相邻直角面发生两次反射，沿反方向穿过真空腔，由45°反射镜改变传输方向，进入偏振分光棱镜后被再次反射；另一束p光透射通过所述偏振分光棱镜，经由所述45°反射镜反射后穿过真空腔，由所述拉曼光反射棱镜两次反射后反方向穿过真空腔，再次进入偏振分光棱镜并透射；

s光与p光重合后一起入射所述偏振片，偏振片的光轴方向与s光与p光分别成45°夹角，因此通过偏振片的两光偏振方向一致，强度近似相等，具有固定的相位差，发生光学干涉现象；透过所述偏振片的光束经过所述衰减片，控制进入所述CCD的光功率大小；所述CCD位于所述聚焦透镜的焦平面处，与所述显示器相连；将所述可变光阑通光孔径开到最大，通过观察所述显示器上的干涉条纹，进一步调节所述45°反射镜的角度，使得干涉条纹清晰且条纹间距越大，实现真空腔中两束空间分离拉曼光有效波矢之间平行度的精细调节。

而且，所述s光及p光在真空腔中的传输方向与原子运动的正交方向有一定夹角，以将反向跃迁谱线与同向跃迁谱线分离。

而且，所述拉曼光反射棱镜的顶角为90°，其入射光与反射光互相平行。

而且，所述拉曼光准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜及偏振片的通光面均镀有所述拉曼光波长的增透膜；所述45°反射镜及拉曼光反射棱镜的反光面均镀有所述拉曼光波长的高反膜。

一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置的调节方法，其特征在于：

1)原子干涉陀螺仪的真空腔中两束拉曼光平行度的粗略调节：

A.拉曼光准直器输出经过准直扩束的线偏振的拉曼光，拉曼光包含波长相近的两束光，其频率差与原子干涉陀螺仪中所用碱金属原子波源的两基态能级差相等；

B.拉曼光通过二分之一波片及可变光阑后入射至偏振分光棱镜，分成功率相等、偏振正交的两束光：s光及p光；

C.其中s光由偏振分光棱镜反射后穿过原子干涉陀螺仪的真空腔，在拉曼光反射棱镜的相邻直角面发生两次反射，沿反方向穿过真空腔，由所述45°反射镜改变传输方向，进入所述偏振分光棱镜后被再次反射；

D.其中p光透射通过偏振分光棱镜，经由所述45°反射镜反射后穿过真空腔，由拉曼光反射棱镜两次反射后反方向穿过真空腔，再次进入偏振分光棱镜并透射；

E.改变可变光阑的通光孔径控制拉曼光的光斑大小，通过观察s光与p光的光斑位置，调节拉曼光反射棱镜与45°反射镜的位置与角度，使s光与p光重合，完成真空腔中两束空间分离的拉曼光之间有效波矢平行度的粗略调节；

2)真空腔中两束空间分离拉曼光之间有效波矢平行度的精细调节：

A.经偏振分光棱镜后重合的s光与p光一起入射至偏振片，偏振片的光轴方向与s光与p光分别成45°夹角，因此通过所述偏振片的两光偏振方向一致，强度近似相等，具有固定的相位差，发生光学干涉现象；

B.透过所述偏振片的光束经过衰减片，控制进入CCD的光功率大小，CCD位于聚焦透镜的焦平面处，与显示器相连；

C.将可变光阑通光孔径开到最大，观察显示器上的干涉条纹，进一步调节45°反射镜的角度，使得干涉条纹清晰且条纹间距越大，此时真空腔中相向传输的s光与p光的角度偏差越小，完成真空腔中两束空间分离拉曼光有效波矢之间平行度的精细调节。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，拉曼光反射棱镜的顶角为90°的设计使得反射光总是与入射光平行，从根本上提高了两束空间分离拉曼光之间的平行度，相比于使用拉曼光平面反射镜，降低了拉曼光调节难度。

2、本发明的用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，通过观察光学干涉条纹对两束分离的拉曼光之间有效波矢的平行度进行精细调节，操作便捷，而且通过干涉条纹分布方向及条纹宽度能够直观知晓拉曼光角度偏差方向及大小，大大提高拉曼光平行度调节的效率。

3、本发明的用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，采用偏振分光棱镜，45°反射镜与拉曼光反射棱镜的组合使用，直接使每束拉曼光中相向传输的两光偏振相互正交(这是目前原子陀螺仪中常用拉曼光偏振组合)，以实现对同向拉曼跃迁的抑制，从而省去通常情况下需要在拉曼光反射端加装四分之一波片对反射光的偏振进行调节的步骤，结构更加简单紧凑。

4、本发明的用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节方法，通过使用一个顶角为90°的拉曼光反射棱镜对两束空间分离拉曼光进行反射，从根本上提高了两束拉曼光之间的平行度，通过观察光学干涉条纹宽度变化，进一步实现两束拉曼光之间有效波矢的平行度的精细调节，解决原子干涉陀螺仪对拉曼光平行度要求较高的问题。

附图说明

图1是一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置的结构示意图；

图2是本发明中拉曼光反射棱镜的结构示意图。

图3是本发明中到达CCD处两束光的等相位波阵面示意图。

附图标记说明

1-拉曼光准直器；2-二分之一波片；3-可变光阑；4-偏振分光棱镜；5-45°反射镜；6-拉曼光反射棱镜；7-偏振片；8-衰减片；9-聚焦透镜；10-CCD；11-显示器、12-原子干涉陀螺仪的真空腔、13-顶角。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置结构，如图1所示，包括：拉曼光准直器1，二分之一波片2，可变光阑3，偏振分光棱镜4，45°反射镜5，拉曼光反射棱镜6，偏振片7，衰减片8，聚焦透镜9，CCD10，显示器11，

本实施例中采用的碱金属原子波源为⁸⁷Rb，拉曼光的波长在780.24nm附近。由保偏光纤传输的拉曼光经过拉曼光准直器1，扩束为光斑直径为40mm的准直光束，拉曼光为线偏振输出，包含一对相近波长的激光，其频率差为6.834GHz。拉曼光通过直径为50.8mm的二分之一波片2和可变光阑3，入射到尺寸为50.8mm×50.8mm×50.8mm的偏振分光棱镜4上，被分解为偏振方向互相正交的s光与p光，通过转动二分之一波片的光轴角度，使得s光与p光功率相等。拉曼光准直器1，二分之一波片2及偏振分光棱镜4的通光面均镀有780nm波长增透膜。其中s光由偏振分光棱镜4反射，穿过原子干涉陀螺仪的真空腔12后，受到拉曼光反射棱镜6的两次反射。

图2给出了拉曼光反射棱镜6的结构示意图，其外形尺寸为60mm×60mm×120mm，拉曼光反射棱镜的夹角13，即相邻两反射面之间的夹角为90°，使得入射光与反射光互相平行。经过拉曼光反射棱镜6的s光反方向穿过真空腔，由45°反射镜5改变行进方向，在偏振分光棱镜4内被再次反射。另一束p光透射偏振分光棱镜4后，在45°反射镜5上传输方向发生偏转穿过真空腔，被拉曼光反射棱镜6的相邻直角面两次反射后反方向穿过真空腔，再次进入偏振分光棱镜4并透射。偏振分光棱镜4与45°反射镜5的几何中心的间距为50mm，其反光方向与真空腔中原子抛射的正交方向有5°夹角，以通过多普勒频移将反向拉曼跃迁谱线与同向拉曼跃迁谱线分离开来。45°反射镜5及拉曼光反射棱镜6的反光面均镀有780nm波长的高反膜。控制可变光阑3的通光孔径对拉曼光斑尺寸进行调整，借助感光探片或小孔光阑观察s光与p光的光斑位置，通过仔细调节拉曼光反射棱镜6与45°反射镜4的位置与角度，使得s光与p光重合，完成真空腔中两束空间分离拉曼光平行度的粗略调节。偏振分光棱镜4，45°反射镜5与拉曼光反射棱镜6的组合使用，直接使每束拉曼光中反向传输的两光偏振相互正交，从而实现对同向拉曼跃迁的抑制，省去通常情况下需要在拉曼光反射端加装四分之一波片对反射光的偏振进行调节的步骤，结构更加简单紧凑。于是每束拉曼光中均包含一对波矢相反，偏振正交的光波组合，可以用来操纵原子波包分束、反转及合束，形成具有一定面积的干涉环路，进而敏感转动角速度。

重合的s光与p光一起入射直径为50.8mm的偏振片7，将偏振片7的光轴方向与s光与p光分别成45°夹角，因此通过偏振片7的两光偏振方向一致，强度近似相等，具有固定的相位差，可以使用CCD10观察两光的干涉现象。聚焦透镜9的直径为50.8mm，焦距为50mm，CCD10位于聚焦透镜9的焦平面处，与显示器11相连。由物理光学可知，若两光之间存在夹角，两束光在平面上形成明暗相间的波阵面，如图3所示，间距为λ的等相位波阵面分别垂直于相应的光束传输方向。若两光在竖直方向上存在夹角为θ，那么干涉条纹沿水平方向分布，设相邻光强极大值之间的距离为d，则d＝λ/θ。因此，两光夹角越小，干涉条纹越稀，反之越密。将可变光阑3的通光孔径开到最大，调节衰减片8控制进入CCD10的光功率，观察显示器11上的干涉条纹，进一步调节45°反射镜5，使得干涉条纹清晰且条纹间距越大。通过干涉条纹分布方向可以直观知晓拉曼光角度偏差方向，从而相应调整45°反射镜5的角度。在本实施例中，拉曼光波长为λ＝780.24nm，若人眼直接观察位于偏振片7后光屏上的干涉图样，假设相邻条纹间距d>10mm，则两束光之间的夹角满足0<θ<7.8×10^-5rad，实现了真空腔中两束空间分离拉曼光之间有效波矢平行度的精细调节。

在本发明中，也可以使用K，Cs等碱金属原子作为原子干涉陀螺仪中的波源，相应拉曼光波长有所改变，本发明实施例对此不做限制。

在本发明中，也可以使用光屏替代CCD和显示器对干涉条纹进行观察，本发明实施例对此不做限制。

在本发明中，45°反射镜也可以通过上位机控制电控镜架进行调节，本发明实施例对此不做限制。

尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其特征在于：包括拉曼光准直器、二分之一波片、可变光阑、偏振分光棱镜、45°反射镜、拉曼光反射棱镜、偏振片、衰减片、聚焦透镜、CCD及显示器，

所述拉曼光准直器输出经过准直扩束的线偏振的拉曼光，所述拉曼光包含波长相近的两束光，其频率差与原子干涉陀螺仪中所用碱金属原子波源的两基态能级差相等；所述拉曼光通过所述二分之一波片及所述可变光阑后入射至偏振分光棱镜，分成功率相等、偏振正交的两束光：s光及p光；其中s光由偏振分光棱镜反射后穿过原子干涉陀螺仪的真空腔，在所述拉曼光反射棱镜的相邻直角面发生两次反射，沿反方向穿过真空腔，由45°反射镜改变传输方向，进入偏振分光棱镜后被再次反射；另一束p光透射通过所述偏振分光棱镜，经由所述45°反射镜反射后穿过真空腔，由所述拉曼光反射棱镜两次反射后反方向穿过真空腔，再次进入偏振分光棱镜并透射；

s光与p光重合后一起入射所述偏振片，偏振片的光轴方向与s光与p光分别成45°夹角，因此通过偏振片的两光偏振方向一致，强度近似相等，具有固定的相位差，发生光学干涉现象；透过所述偏振片的光束经过所述衰减片，控制进入所述CCD的光功率大小；所述CCD位于所述聚焦透镜的焦平面处，与所述显示器相连；将所述可变光阑通光孔径开到最大，通过观察所述显示器上的干涉条纹，进一步调节所述45°反射镜的角度，使得干涉条纹清晰且条纹间距越大，实现真空腔中两束空间分离拉曼光有效波矢之间平行度的精细调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其特征在于：所述s光及p光在真空腔中的传输方向与原子运动的正交方向有一定夹角，以将反向跃迁谱线与同向跃迁谱线分离。

3.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其特征在于：所述拉曼光反射棱镜的顶角为90°，其入射光与反射光互相平行。

4.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置，其特征在于：所述拉曼光准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜及偏振片的通光面均镀有所述拉曼光波长的增透膜；所述45°反射镜及拉曼光反射棱镜的反光面均镀有所述拉曼光波长的高反膜。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述用于原子干涉陀螺仪的拉曼光平行度调节装置的调节方法，其特征在于：

1)原子干涉陀螺仪的真空腔中两束拉曼光平行度的粗略调节：

A.拉曼光准直器输出经过准直扩束的线偏振的拉曼光，拉曼光包含波长相近的两束光，其频率差与原子干涉陀螺仪中所用碱金属原子波源的两基态能级差相等；

B.拉曼光通过二分之一波片及可变光阑后入射至偏振分光棱镜，分成功率相等、偏振正交的两束光：s光及p光；

C.其中s光由偏振分光棱镜反射后穿过原子干涉陀螺仪的真空腔，在拉曼光反射棱镜的相邻直角面发生两次反射，沿反方向穿过真空腔，由所述45°反射镜改变传输方向，进入所述偏振分光棱镜后被再次反射；

D.其中p光透射通过偏振分光棱镜，经由所述45°反射镜反射后穿过真空腔，由拉曼光反射棱镜两次反射后反方向穿过真空腔，再次进入偏振分光棱镜并透射；

E.改变可变光阑的通光孔径控制拉曼光的光斑大小，通过观察s光与p光的光斑位置，调节拉曼光反射棱镜与45°反射镜的位置与角度，使s光与p光重合，完成真空腔中两束空间分离的拉曼光之间有效波矢平行度的粗略调节；

2)真空腔中两束空间分离拉曼光之间有效波矢平行度的精细调节：

A.经偏振分光棱镜后重合的s光与p光一起入射至偏振片，偏振片的光轴方向与s光与p光分别成45°夹角，因此通过所述偏振片的两光偏振方向一致，强度近似相等，具有固定的相位差，发生光学干涉现象；

B.透过所述偏振片的光束经过衰减片，控制进入CCD的光功率大小，CCD位于聚焦透镜的焦平面处，与显示器相连；

C.将可变光阑通光孔径开到最大，观察显示器上的干涉条纹，进一步调节45°反射镜的角度，使得干涉条纹清晰且条纹间距越大，此时真空腔中相向传输的s光与p光的角度偏差越小，完成真空腔中两束空间分离拉曼光有效波矢之间平行度的精细调节。

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