CN114440854A - 用于serf原子自旋陀螺仪激光偏振稳定装置及陀螺仪及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，其分光棱镜的透射光为输出光路，分光棱镜的反射光为监测光路；监测光路输出至偏振分光棱镜，偏振分光棱镜将输入的监测光路分成两路监测光，该两路监测光的分光比由监测光路的偏振方向决定；第一光电探测器、第二光电探测器接收所述两路监测光，并将光功率转化为电信号输出至控制线路，控制线路处理电信号，并通过测得的分光比变化输出控制信号至高精度电动可调节1/2波片，高精度电动可调节1/2波片接收输出光路并接收控制线路的控制信号，通过调节主轴角度调节输出光路的偏振方向。本发明布局合理，工艺实施方便，实现对激光器输出激光偏振方向的准确监测和调节，适用于SERF陀螺仪等系统。

Description

用于SERF原子自旋陀螺仪激光偏振稳定装置及陀螺仪及方法

技术领域

本发明属于惯性测量传感器技术领域，特别是一种用于SERF原子自旋陀螺仪激光偏振稳定装置及陀螺仪及方法。

背景技术

迄今为止多个国家已研制出多种类型的SERF陀螺仪原理验证系统，部分公司研制已处于工程化阶段。2005年普林斯顿大学利用K-3He原子源首次实现SERF原子自旋惯性测量原理验证，2011年完成第二代SERF陀螺实验装置。美国TWINLEAF公司获得美国国防部大力支持，进行SERF陀螺技术研究，表头尺寸小于Φ8cm*10cm。国内北京航空航天大学率先于2008年开展SERF陀螺仪研究，北京航天控制仪器研究所等研究院所也陆续开展研究，均取得较大进展。

SERF陀螺仪综合利用了碱金属原子的电子自旋和惰性气体的核自旋，通过操控碱金属原子的电子自旋工作于SERF态，提高自旋弛豫时间；操控惰性气体原子的核自旋与碱金属原子的电子自旋强耦合，补偿外界磁场变化隔离磁场影响，提高测量准确性。当载体转动时，原子自旋具有定轴性，探测激光固连在载体上而随载体转动，其与自旋的夹角反应了载体相对惯性空间转动。

SERF陀螺仪核心敏感装置原理组成示意图，如图2所示。通过泵浦光(泵浦激光器输出线偏振光通过圆偏振片转换为圆偏振光)、线圈磁场对原子自旋的综合操控，可以实现原子自旋极化。当载体相对惯性空间转动时，固连于载体的泵浦激光跟随载体转动，将强迫原子自旋进动到泵浦激光方向。由于探测激光(探测光激光器输出的线偏振光)也固连于载体上，当载体相对惯性空间转动时，探测激光与原子自旋的夹角也会发生改变，夹角改变的大小反映了角速度的大小。探测激光会与原子自旋发生相互作用，不同的原子自旋指向使探测激光的线偏振方向发生改变，通过检测这一线偏振方向变化可以实现对角速度的测量。

由SERF陀螺仪工作原理可知，泵浦光与探测光的偏振稳定性对SERF陀螺仪的测量精度有重要影响。然而由于激光器输出本身的不理想，输出激光偏振方向的不稳定，致使泵浦光、探测光的偏振方向发生变化，进而影响陀螺仪对角运动的测量。

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SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，使泵浦光、探测光偏振方向保持稳定，进而提升陀螺仪的稳定性。

本发明的目的还在于提供一种用于SERF原子自旋陀螺仪。

本发明的目的还在于提供一种基于用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的稳定控制方法。

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SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，其特征在于：包括分光棱镜1、偏振分光棱镜2、第一光电探测器3、第二光电探测器6、控制线路4、高精度电动可调节1/2波片5；所述分光棱镜1的透射光为输出光路，分光棱镜1的反射光为监测光路；所述监测光路输出至偏振分光棱镜2，偏振分光棱镜2将输入的监测光路分成两路监测光，该两路监测光的分光比由监测光路的偏振方向决定；第一光电探测器3、第二光电探测器6接收所述两路监测光，并将光功率转化为电信号；第一光电探测器3、第二光电探测器6的电信号输出至控制线路4，控制线路4处理第一光电探测器3、第二光电探测器6输出的电信号，并通过测得的分光比变化输出控制信号至高精度电动可调节1/2波片5，高精度电动可调节1/2波片5接收所述输出光路并接收控制线路的控制信号，通过调节主轴角度调节输出光路的偏振方向。

一种SERF原子自旋陀螺仪，包括探测光部件、泵浦光部件、屏蔽筒部件、原子气室、三维补偿线圈部件及加热保温部件，探测光部件包括探测光激光器、激光偏振稳定装置、线偏振片、1/4波片、光弹调制器、检偏器及光电探测器；泵浦光部件包括泵浦光激光器、激光偏振稳定装置、扩束器及圆偏振片等，原子气室与加热保温部件一同装入三维补偿线圈部件中，三维补偿线圈部件安装在屏蔽筒部件中，屏蔽筒部件再安装在陀螺底座上，泵浦光部件及探测光部件均直接安装在陀螺底座上，其特征在于：所述泵浦光部件的泵浦光激光器输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出至线偏振片；所述探测光部件的探测光激光器的输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出扩束器。

一种基于所述用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的激光偏振稳定控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)手动标定进入偏振分光棱镜2监测光路的激光偏振方向变化角度与偏振分光棱镜2输出的两路监测光路分光比变化的对应关系，并在两个标定点之间进行线形拟合形成计算模型写入控制线路4；

2)控制线路4获得由进入偏振分光棱镜2监测光路的激光偏振方向变化导致的振分光棱镜2输出的两路监测光路的实时分光比变化，同时根据已写入的计算模型获得偏振角度变化并输出控制信号，驱动输出光路上的高精度电动可调节1/2波片5，实现输出激光的偏振方向调整与稳定。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，利用激光偏振方向与偏振分光棱镜输出反射与透射光分光比的强相关性设计的监测光路，实现激光偏振方向变化的实时监测，为调整、稳定主输出激光的偏振方向提供了可靠、准确的依据。

2、本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，利用了高精度电动可调节1/2波片做为执行元件，转角调节分辨率达到6″，可实现准确、稳定的偏振方向调节。

3、本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，原理清晰，设计简单，布局合理，工艺实施方便，实现对激光器输出激光偏振方向的准确监测和调节，适用于SERF陀螺仪等系统。

4、本发明的SERF原子自旋陀螺仪，泵浦光部件及探测光部件均包括激光偏振稳定装置，使泵浦光、探测光偏振方向保持稳定，进而提升陀螺仪的稳定性，且结构简单，便于安装、调试。

5、本发明的基于所述用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的激光偏振稳定控制方法，有效实现泵浦光、探测光偏振方向保持稳定，进而提升陀螺仪的稳定性。

附图说明

图1是本发明用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的原理示意图。

图2是本发明SERF原子自旋陀螺仪的原理组成示意图；

附图标记说明

1-分光棱镜；2-偏振分光棱镜；3-第一光电探测器；4-控制线路；5.-高精度电动可调节1/2波片；6-第二光电探测器；7-探测光激光器；8-激光偏振稳定装置；9-线偏振片；10-加热保温部件；11-三维补偿线圈；12-屏蔽筒部件；13-1/4波片；14-光弹调制器；15-检偏器；16-光电探测器；17-原子气室；18-圆偏振片；19-扩束器；20-泵浦光激光器。

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SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，其包括分光棱镜1、偏振分光棱镜2、第一光电探测器3、第二光电探测器6、控制线路4、高精度电动可调节1/2波片5；分光棱镜1的透射光为输出光路，分光棱镜1的反射光为监测光路；所述监测光路输出至偏振分光棱镜2，偏振分光棱镜2将输入的监测光路分成两路监测光，该两路监测光的分光比由监测光路的偏振方向决定；第一光电探测器3、第二光电探测器6接收所述两路监测光，并将光功率转化为电信号；第一光电探测器3、第二光电探测器6的电信号输出至控制线路4，控制线路4处理第一光电探测器3、第二光电探测器6输出的电信号，并通过测得的分光比变化输出控制信号至高精度电动可调节1/2波片5，高精度电动可调节1/2波片5接收所述输出光路并接收控制线路的控制信号，通过调节主轴角度调节输出光路的偏振方向。监测光路的分光比变化与高精度电动可调节1/2波片主轴角度关系可进行手动标定，做为波片调节参考依据；控制线路采用前置放大和开环控制方案。利用监测光路经偏振分光棱镜分光比变化与输入光偏振方向相关的特点取得偏振方向变化信息，据此控制高精度电动可调节1/2波片，实现激光偏振方向稳定控制。

一种SERF原子自旋陀螺仪，包括探测光部件、泵浦光部件、屏蔽筒部件12、原子气室17、三维补偿线圈部件11及加热保温部件10，探测光部件包括探测光激光器7、激光偏振稳定装置8、线偏振片9、1/4波片13、光弹调制器14、检偏器15及光电探测器16；泵浦光部件包括泵浦光激光器20、激光偏振稳定装置8、扩束器19及圆偏振片18等，原子气室17与加热保温部件10一同装入三维补偿线圈部件11中，三维补偿线圈部件11安装在屏蔽筒部件12中，屏蔽筒部件12再安装在陀螺底座上，泵浦光部件及探测光部件均直接安装在陀螺底座上，其特征在于：所述泵浦光部件的泵浦光激光器输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出至线偏振片9；所述探测光部件的探测光激光器的输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出扩束器19。

利用高精度电动可调节1/2波片5配合分光棱镜1和偏振分光棱镜2使用，采用第一光电探测器3、第二光电探测器6监测分光棱镜1反射光后端偏振分光棱镜2的透射光和反射光功率变化，通过测得的功率变化可得到分光比变化，该分光比变化由入射光偏振方向变化决定；再利用控制线路4将分光比变化量转化为控制信号驱动分光棱镜1透射光后的高精度电动可调节1/2波片5，通过调整高精度电动可调节1/2波片5主轴角度调整、稳定透射光偏振方向。从而实现探测激光偏振方向变化，并能够实时进行偏振方向的调节。

一种基于所述用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的激光偏振稳定控制方法，包括如下步骤：

1)手动标定进入偏振分光棱镜2监测光路的激光偏振方向变化角度与偏振分光棱镜2输出的两路监测光路分光比变化的对应关系，即在偏振分光棱镜2前插入一个可进行高精度微调的1/2波片5，通过调节该波片主轴角度改变偏振分光棱镜2入射激光的偏振方向，从而改变其输出分光比，同时记录第一光电探测器3、第二光电探测器6输出的差分结果，并在两个相邻标定点之间进行线形拟合形成计算模型写入控制线路4，做为后续输出光路偏振方向调节的依据，可在标定完成后将插入的高精度微调1/2波片拆除。手动标定形成计算模型的示例说明如下表所示。

同理获得反向转角的计算模型。

2)控制线路4获得由进入偏振分光棱镜2监测光路的激光偏振方向变化导致的振分光棱镜2输出的两路监测光路的实时分光比变化，同时根据已写入的计算模型获得偏振角度变化并输出控制信号，驱动输出光路上的高精度电动可调节1/2波片5，实现输出激光的偏振方向调整与稳定。

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 (3)

1.一种用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置，其特征在于：包括分光棱镜(1)、偏振分光棱镜(2)、第一光电探测器(3)、第二光电探测器(6)、控制线路(4)、高精度电动可调节1/2波片(5)；所述分光棱镜(1)的透射光为输出光路，分光棱镜(1)的反射光为监测光路；所述监测光路输出至偏振分光棱镜(2)，偏振分光棱镜(2)将输入的监测光路分成两路监测光，该两路监测光的分光比由监测光路的偏振方向决定；第一光电探测器(3)、第二光电探测器(6)接收所述两路监测光，并将光功率转化为电信号；第一光电探测器(3)、第二光电探测器(6)的电信号输出至控制线路(4)，控制线路(4)处理第一光电探测器(3)、第二光电探测器(6)输出的电信号，并通过测得的分光比变化输出控制信号至高精度电动可调节1/2波片(5)，高精度电动可调节1/2波片(5)接收所述输出光路并接收控制线路的控制信号，通过调节主轴角度调节输出光路的偏振方向。

2.一种SERF原子自旋陀螺仪，包括探测光部件、泵浦光部件、屏蔽筒部件(12)、原子气室(17)、三维补偿线圈部件(11)及加热保温部件(10)，探测光部件包括探测光激光器(7)、激光偏振稳定装置(8)、线偏振片(9)、1/4波片(13)、光弹调制器(14)、检偏器(15)及光电探测器(16)；泵浦光部件包括泵浦光激光器(20)、激光偏振稳定装置(8)、扩束器(19)及圆偏振片(18)等，原子气室(17)与加热保温部件(10)一同装入三维补偿线圈部件(11)中，三维补偿线圈部件(11)安装在屏蔽筒部件(12)中，屏蔽筒部件(12)再安装在陀螺底座上，泵浦光部件及探测光部件均直接安装在陀螺底座上，其特征在于：所述泵浦光部件的泵浦光激光器(20)输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出至线偏振片(9)；所述探测光部件的探测光激光器(7)的输出激光均注入各自的激光偏振稳定装置后输出扩束器(19)。

3.一种基于所述用于SERF原子自旋陀螺仪的激光偏振稳定装置的激光偏振稳定控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)手动标定进入偏振分光棱镜(2)监测光路的激光偏振方向变化角度与偏振分光棱镜(2)输出的两路监测光路分光比变化的对应关系，并在两个标定点之间进行线形拟合形成计算模型写入控制线路(4)；

2)控制线路(4)获得由进入偏振分光棱镜(2)监测光路的激光偏振方向变化导致的振分光棱镜(2)输出的两路监测光路的实时分光比变化，同时根据已写入的计算模型获得偏振角度变化并输出控制信号，驱动输出光路上的高精度电动可调节1/2波片(5)，实现输出激光的偏振方向调整与稳定。

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