CN114383606B - 一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法 - Google Patents
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Abstract
一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，该方法以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对激光频率控制问题，通过利用同一个气室对不同激光频率有不同的折射率，建立了一种利用光程差实现对激光频率进行稳定控制的方案，实现了利用光程差实现对激光稳频的设计效果。本发明基于光程差进行激光频率控制，在满足了设计需求的用时具有便于工程实现(比如高效率、便于工程实现)的特点，减少了激光器外界环境带来的干扰，提高了频率稳定性，适用于原子自旋惯性测量系统中检测激光一类的产品，具有十分广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及适合于原子自旋惯性测量系统检测光频率稳定控制技术，特别是一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法。
背景技术
近年来，原子自旋惯性测量系统成为新一代惯导系统的重要发展方向，以应对远程长航时运动载体对超高精度的迫切需求。其中，检测激光的频率稳定是实现准确测量的基本要求，尤其是对于超高精度的原子自旋惯性测量系统来说检测激光频率不稳会大大限制系统的灵敏度。为保证原子自旋惯性测量系统的高精度，需要对检测激光频率进行稳定控制，提高惯性测量系统的精度和灵敏度。
目前，关于激光频率的稳定方法主要包括两类，第一类是被动式稳频方法，这种方法是将激光器谐振腔反射镜之间的间隔器采用膨胀系数小的材料制作，同时对整个激光器谐振腔系数进行恒温控制，但是被动式稳频的精度不高，难以达到系统正常工作需求；第二类是主动式稳频，指在激光器的工作过程中，选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，通过控制系统自动调节腔长,使激光频率回到标准参考频率上，从而实现稳频，常见的有兰姆凹陷稳频法和饱和吸收稳频法，但是这些都需要独立的模块来实现增加系统的复杂程度，且不能消除光学器件可能带来的频率的偏移。
综上，随着光束调制技术和光束合成技术的发展和应用的普及，针对激光器稳频方法设计有了广阔的前景，而这方面的研究实践研究还比较缺乏。本专利从总体出发，研究一种原子自旋惯性测量系统的激光器稳频方法，将为相似的激光稳频设计提供指导和借鉴。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：克服传统激光器稳频方案精度不高、受环境影响较大的缺陷，提供一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，用以提高稳频的精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，其特征在于，包括利用原子自旋惯性测量系统中经过气室的光程差Δ计算得到的气室折射率n中的实部Re[n(ω)]所获得的调制前激光频率ω，通过反馈机制对光程差Δ进行改变以实现激光稳频，所述气室折射率n按照下式进行计算：
其中L是气室长度，n0为空气的折射率，一般为1，所述调制前激光频率ω按照下式进行计算：
其中c为光速，natom为原子密度，w0为中心频率，re为电子半径，f为振子强度，γ为旋磁比。当气室温度稳定时原子密度natom为固定值，此时相位差φ1的大小取决于激光器的激光频率，得到相位差信号后通过上式计算即可得到激光频率。
所述光程差Δ由以下公式确定：
其中λ为光在真空中传播的波长，Φ1是相位差，Φ1＝Φref-Φ’，Φref是参考相位，Φ’是初始相位。
所述原子自旋惯性测量系统包括调制器(4)、激光合束镜(8)、信号处理器(14)、温控系统(15)；用激光器(1)生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜(2)后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器(4)、第二偏振分光棱镜(7)后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室(9)、第一反射镜(10)后到达第一激光合束镜(11)；经第二偏振分光棱镜(7)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜(3)、第三偏振分光棱镜(6)后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜(5)后送到第一激光合束镜(11)；经第三偏振分光棱镜(6)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；第一激光合束镜(11)将两束光合束后经过第一光电探测器(12)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)，第二激光合束镜(8)将两束光合束后送入第二光电探测器(13)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)；信号处理器(14)将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给激光器(1)进行激光频率控制以及上位机供指导者观察。
光路中的调制器(4)选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器，用于激光波长调制。
激光合束镜用于特定波长激光的分束或合束。
包括以下步骤：
(1)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器(4)，使出射激光波长产生固定的调制；
(2)为了使激光器频率稳定，需要对激光器频率进行PID闭环控制，用信号处理器(14)将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜(11)发出光的相位信号与第二光电探测器(13)探测到的第二激光合束镜(8)发出光的相位信号作差，再经过信号处理器(14)把相位差转换为电压信号作为反馈量送给激光器(1)的PID控制器，对激光器频率进行实时控制。
通过信号处理器(14)得到的相位差信号，经过前期标定数据后，得到激光的频率，即：定义第一光电探测器(12)探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器(13)探测到的光信号为参考信号。
本发明的技术效果如下：本发明一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，该方法以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对激光频率控制问题，通过利用同一个气室对不同激光频率有不同的折射率，建立了一种利用光程差实现对激光频率进行稳定控制的方案，实现了利用光程差实现对激光稳频的设计效果。本发明基于光程差进行激光频率控制，在满足了设计需求的用时具有便于工程实现(比如高效率、便于工程实现)的特点，减少了激光器外界环境带来的干扰，提高了频率稳定性，适用于原子自旋惯性测量系统中检测激光一类的产品，具有十分广阔的应用前景。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用光程差对激光器频率进行稳定控制，避免了被动式稳频方法抗环境干扰能力差、精度低的缺点；克服了传统主动式稳频方法需要增加系统复杂程度的同时还会带来更多的噪声的不足；本方法通过光程差进行稳定控制，还可以对温度等外界因素给光路中的光学器件带来的影响进行控制。
附图说明
图1是实施本发明一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法中原子自旋惯性测量系统结构示意图。
图中：1-激光器；2-第一偏振分光棱镜；3-第二反射镜；4-调制器；5-第三反射镜；6-第三偏振分光棱镜；7-第二偏振分光棱镜；8-第二激光合束镜；9-气室；10-第一反射镜；11-第一激光合束镜；12-第一光电探测器；13-第二光电探测器；14-信号处理器；15-温控系统。
具体实施方式
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法中原子自旋惯性测量系统结构示意图。参考图1所示，一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，包括利用原子自旋惯性测量系统中经过气室的光程差Δ计算得到的气室折射率n中的实部Re[n(ω)]所获得的调制前激光频率ω，通过反馈机制对光程差Δ进行改变以实现激光稳频，所述气室折射率n按照下式进行计算：
其中L是气室长度，n0为空气的折射率，一般为1，所述调制前激光频率ω按照下式进行计算：
其中c为光速，natom为原子密度，w0为中心频率，re为电子半径，f为振子强度，γ为旋磁比。当气室温度稳定时原子密度natom为固定值，此时相位差φ1的大小取决于激光器的激光频率，得到相位差信号后通过上式计算即可得到激光频率。
所述光程差Δ由以下公式确定：
其中λ为光在真空中传播的波长，Φ1是相位差，Φ1＝Φref-Φ’，Φref是参考相位，Φ’是初始相位。
所述原子自旋惯性测量系统包括调制器(4)、激光合束镜(8)、信号处理器(14)、温控系统(15)；用激光器(1)生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜(2)后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器(4)、第二偏振分光棱镜(7)后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室(9)、第一反射镜(10)后到达第一激光合束镜(11)；经第二偏振分光棱镜(7)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜(3)、第三偏振分光棱镜(6)后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜(5)后送到第一激光合束镜(11)；经第三偏振分光棱镜(6)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；第一激光合束镜(11)将两束光合束后经过第一光电探测器(12)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)，第二激光合束镜(8)将两束光合束后送入第二光电探测器(13)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)；信号处理器(14)将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给激光器(1)进行激光频率控制以及上位机供指导者观察。光路中的调制器(4)选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器，用于激光波长调制。激光合束镜用于特定波长激光的分束或合束。
包括以下步骤：(1)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器(4)，使出射激光波长产生固定的调制；(2)为了使激光器频率稳定，需要对激光器频率进行PID闭环控制，用信号处理器(14)将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜(11)发出光的相位信号与第二光电探测器(13)探测到的第二激光合束镜(8)发出光的相位信号作差，再经过信号处理器(14)把相位差转换为电压信号作为反馈量送给激光器(1)的PID控制器，对激光器频率进行实时控制。通过信号处理器(14)得到的相位差信号，经过前期标定数据后，得到激光的频率，即：定义第一光电探测器(12)探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器(13)探测到的光信号为参考信号。
以原子自旋惯性测量系统为研究对象，针对激光频率控制问题，实施的激光稳频方法如下：
(1)用激光器(1)生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜(2)后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器(4)、第二偏振分光棱镜(7)后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室(9)、第一反射镜(10)后到达第一激光合束镜(11)；经第二偏振分光棱镜(7)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜(3)、第三偏振分光棱镜(6)后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜(5)后送到第一激光合束镜(11)；经第三偏振分光棱镜(6)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；第一激光合束镜(11)将两束光合束后经过第一光电探测器(12)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)，第二激光合束镜(8)将两束光合束后送入第二光电探测器(13)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)；信号处理器(14)将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给激光器(1)进行激光频率控制以及上位机(16)供指导者观察。
(2)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器(4)，使光路波长产生固定的调制；
(3)为了使激光器频率稳定，需要对激光器频率进行PID闭环控制，用信号处理器(14)将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜(11)发出光的相位信号与第二光电探测器(13)探测到的第二激光合束镜(8)发出光的相位信号作差，再经过信号处理器(14)把相位差转换为电压信号作为反馈量送给激光器(1)的PID控制器，对激光器频率进行实时控制。
(4)通过信号处理器(14)得到的相位差信号，经过前期标定数据后，可以查表得到激光器实时频率，即：
定义第一光电探测器(12)探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器(13)探测到的光信号为参考信号。
激光经过调制器(4)调制后，与未经调制的激光通过第二激光合束镜(8)进行合束，由第二光电探测器(13)接收到的参考信号的电矢量信号Eref为：
Eref＝A1cos(kmz-ωmt)
km＝π(v1-v2)/c＝ωm/c
其中A1为合束电矢量信号Eref中的高频分量，但由于其频率远大于第二光电探测器(13)的带宽(60KHz-40GHz)，因此最终测量到的这部分为单位探测时间内的平均值，即一个直流量A1；v1和v2分别为经过调制器(4)前和经过后的光束频率；km为合束后的光矢量的波数；ωm为合束后的光矢量的角频率；c为真空中的光速。
第二光电探测器(13)探测到的参考信号的光强为Iref(t)为一个随时间t变化的量：
其中φref是初始相位为一常值，其大小由合束前两束光的光程差决定。
同理，激光经过调制器(4)调制并穿过气室(9)后，与未经调制的激光通过第一激光合束镜(11)进行合束，并由第一光电探测器(12)探测，得到的测量信号的光强大小Imeas(t)为一个随时间t变化的量：
其中A2为合束电矢量信号中的高频分量，但由于其频率远大于第一光电探测器(12)的带宽(60KHz-40GHz)，因此最终测量到的这部分为单位探测时间内的平均值，即一个直流量A2；φ′为一初始相位，其大小由合束前两束光的光程差决定，由于有气室(9)的存在，φ′的值并不是常值，而是随着气室(9)的折射率n的变化而变化。
此时参考信号与测量信号为同频率信号，其相位差φ1为：
φ1＝φref-φ′＝φ0+2km(n-1)l
其中φ0为一常数值，由除气室(9)以外的光程大小决定，l为光路经过气室(9)的长度，理想状态下为气室(9)的直径。
由相位差φ1可以得到经过气室(9)的光程差Δ：
其中，λ为光在真空中传播的波长，通过光程差Δ我们可以得到气室(9)的折射率：
其中，L为气室(9)的长度，n0为空气的折射率，一般为1。相位差信号φ1经过信号处理器(14)处理后可以将相位差信号转化为电压信号输出，经过上式计算可以得到气室(9)内的折射率n，气室(9)的折射率n的实部Re[n(w)]可以表示为以下形式：
其中natom为原子密度；ω为经过调制器(4)前的激光频率；w0为中心频率；re为电子半径；f为振子强度，大小为1/3；γ一般为15GHz。
当气室温度稳定时原子密度natom为固定值，此时相位差φ1的大小取决于激光器的激光频率，得到相位差信号后通过上式计算即可得到激光频率。
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (4)
1.一种原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，其特征在于，包括利用原子自旋惯性测量系统中经过气室的光程差Δ计算得到的气室折射率n中的实部Re[n(ω)]所获得的调制前激光频率ω，通过反馈机制对光程差Δ进行改变以实现激光稳频，所述气室折射率n按照下式进行计算：
其中L是气室长度，n0为空气的折射率，所述调制前激光频率ω按照下式进行计算：
其中c为光速，natom为原子密度，w0为中心频率，re为电子半径，f为振子强度，γ为旋磁比；
所述光程差Δ由以下公式确定：
其中λ为光在真空中传播的波长，Φ1是相位差，Φ1＝Φref-Φ’，Φref是参考相位，Φ’是初始相位；
所述原子自旋惯性测量系统包括调制器(4)、激光合束镜(8)、信号处理器(14)、温控系统(15)；用激光器(1)生成一束单色光，经过第一偏振分光棱镜(2)后刚好分为两路大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过调制器(4)、第二偏振分光棱镜(7)后分为两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光依次经过气室(9)、第一反射镜(10)后到达第一激光合束镜(11)；经第二偏振分光棱镜(7)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；经第一偏振分光棱镜分束后的第二束光依次经过第二反射镜(3)、第三偏振分光棱镜(6)后分成两束大小相同、偏振方向正交的光，第一束光经过第三反射镜(5)后送到第一激光合束镜(11)；经第三偏振分光棱镜(6)分束后的第二束光送到第二激光合束镜(8)；第一激光合束镜(11)将两束光合束后经过第一光电探测器(12)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)，第二激光合束镜(8)将两束光合束后送入第二光电探测器(13)，光信号被转换成电流信号输送给信号处理器(14)；信号处理器(14)将两路输入信号进行比较，并将结果同时反馈给激光器(1)进行激光频率控制以及上位机供指导者观察；
包括以下步骤：
(1)用一定频率的正弦波电压信号或者方波电压信号作用于调制器(4)，使出射激光波长产生固定的调制；
(2)为了使激光器频率稳定，需要对激光器频率进行PID闭环控制，用信号处理器(14)将第一光电探测器(12)探测到的第一激光合束镜(11)发出光的相位信号与第二光电探测器(13)探测到的第二激光合束镜(8)发出光的相位信号作差，再经过信号处理器(14)把相位差转换为电压信号作为反馈量送给激光器(1)的PID控制器，对激光器频率进行实时控制。
2.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，其特征在于，光路中的调制器(4)选用噪声衰减器、电光调制器或者声光调制器，用于激光波长调制。
3.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，其特征在于，激光合束镜用于特定波长激光的分束或合束。
4.根据权利要求1所述的原子自旋惯性测量系统的激光稳频方法，其特征在于，通过信号处理器(14)得到的相位差信号，经过前期标定数据后，得到激光的频率，即：定义第一光电探测器(12)探测到的光信号为测量信号，第二光电探测器(13)探测到的光信号为参考信号。
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