CN114543838B - 验证Sagnac效应的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种验证Sagnac效应的装置及方法，该装置包括激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、光纤、光学微腔、第二分束器、合束器、第一光电探测器、锁相放大器、示波器、转台；所述方法包括通过验证Sagnac效应的装置获取拍频信号的频率；获取转台的旋转速度；根据拍频信号的频率和所述旋转速度验证Sagnac效应。该装置和方法能够对光学Sagnac效应进行验证。

Description

验证Sagnac效应的装置及方法

技术领域

本申请涉及微纳米学传感领域和光学微腔陀螺仪研制领域，尤指一种验证Sagnac效应的装置及方法。

背景技术

回音壁模式光学微腔由于具有很高的品质因子和很小的模式体积能够将光的能量局限在很小的体积里，因此被广泛应用于各个领域，例如量子信息处理、腔光力学、微型激光器、光学通讯器件和高灵敏度传感器等。目前回音壁模式光学微腔传感机制有以下三种：模式频率移动、模式加宽和模式劈裂，可以对一系列物理量进行测量，比较简单直接的传感思维是待探测的物理量引起系统中的光学模式或力学模式发生改变，典型的是频率发生红移或者蓝移，并且移动的量和引入的待测物理量变化成正相关，那么通过监测相应模式的频率移动就可以推断出物理量的变化。目前用回音壁模式光学微腔做成的角速度传感器可以片上集成，对外界的冲击和震动的鲁棒性好。目前微腔陀螺仪探测的最小角速度可达到5deg/h，这比地球的自转角速度要小。

但是，作为光学微腔陀螺仪的基本原理，即光学Sagnac效应还需在实验上进行演示验证。

发明内容

本申请提供了一种验证Sagnac效应的装置及方法，能够对光学微腔的Sagnac效应进行验证。

本申请提供的一种验证Sagnac效应的装置，包括激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、光纤、光学微腔、第二分束器、合束器、第一光电探测器、锁相放大器、示波器、转台；

所述第一分束器，设置成接收所述激光器输出的激光，并将所接收的激光分成第一光束和第二光束，分别传入到所述第一环形器和所述第二环形器；

所述第一环形器，设置成将第一光束传入所述光纤的第一端，并接收从所述光纤的第一端出射的第二光束，将所述第二光束传入所述第二分束器；

所述第二环形器，设置成将第二光束传入所述光纤的第二端，并接收从所述光纤的第二端出射的第一光束，将所述第一光束传入所述合束器；

所述光纤与所述光学微腔耦合；

所述光学微腔，设置成使通过所述光纤耦合入射的第一光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第二端出射，使通过所述光纤耦合入射的第二光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第一端出射；

所述第二分束器，设置成将所述第二光束分成第三光束和第四光束；第三光束和第四光束的分束比n:m，n>m；将所述第三光束传入所述合束器；其中，n和m均为整数；

所述第一光电探测器，设置为接收所述合束器传入的光束，获取合束后的光束的光信号，并将获取到的光信号转换成电信号；

所述锁相放大器，设置为当旋转所述光学微腔时，提取所述电信号中的拍频信号；

所述示波器，设置为显示所述锁相放大器的输出信号的幅值；

所述转台，设置为放置所述光学微腔，并以设定的旋转速度带动所述光学微腔旋转。

一种示例性的实施例中，装置还包括：第二光电探测器，伺服放大器；

所述第二光电探测器，设置为接收第四光束，并将获取到的所述第四光束的光信号转换成电信号；

所述伺服放大器，设置为根据接收到的所述第二光电探测器的电信号调整自身的设置从而稳定所述激光器的频率。

一种示例性的实施例中，还包括：衰减器；

所述衰减器，设置为控制所述激光器输出的激光的强度。

一种示例性的实施例中，还包括：偏振控制器；

所述偏振控制器，设置为控制所述激光器输出的激光的偏振方向。

一种示例性的实施例中，所述第一分束器为分束比为50：50的分束器。

一种示例性的实施例中，所述第二分束器为分束比为n:m＝90：10的分束器，其中，n和m均为整数。

一种示例性的实施例中，所述光学微腔的半径为1.25mm。

一种示例性的实施例中，所述光学微腔的品质因子为10⁶。

本申请还提供一种验证Sagnac效应的方法，包括：

通过上述的验证Sagnac效应的装置获取拍频信号的频率；

获取转台的旋转速度；

根据拍频信号的频率和所述旋转速度验证Sagnac效应。

一种示例性的实施例中，拍频信号的频率通过如下方式确定：

在特定的旋转速度下，将示波器示出的幅值最大值时对应的锁相放大器的参考频率作为拍频信号的频率。

本申请包括以下优点：

本申请实施例的一种实现方式中，可以对光学微腔的Sagnac效应进行验证。

本申请实施例的一种实现方式中，可以基于品质因子要求不高的光学微腔进行角速度传感。

当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的验证Sagnac效应的装置的示意图；

图2示出了本申请实施例的双向泵浦光路；

图3a示出了本申请实施例的固定光学微腔和部分光纤的旋转速度，改变锁相放大器的参考频率时的输出信号幅度变化图；

图3b示出了本申请实施例的固定参考信号的频率时锁相放大器输出信号的幅值随转速的变化情况；

图4为本申请实施例不同转速下锁相放大器输出信号的响应；

图5为本申请实施例不同转速下拍频信号的频率变化示意图。

具体实施方式

图1为本申请提供的一种验证Sagnac效应的装置，包括激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、光纤、光学微腔、第二分束器、合束器、第一光电探测器、锁相放大器、示波器、转台；

所述第一分束器，设置成接收所述激光器输出的激光，并将所接收的激光分成第一光束和第二光束，分别传入到所述第一环形器和所述第二环形器；

所述第一环形器，设置成将第一光束传入所述光纤的第一端，并接收从所述光纤的第一端出射的第二光束，将所述第二光束传入所述第二分束器；

所述第二环形器，设置成将第二光束传入所述光纤的第二端，并接收从所述光纤的第二端出射的第一光束，将所述第一光束传入所述合束器；

所述光纤与所述光学微腔耦合；

所述光学微腔，设置成使通过所述光纤耦合入射的第一光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第二端出射，使通过所述光纤耦合入射的第二光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第一端出射；

所述第二分束器，设置成将所述第二光束分成第三光束和第四光束；第三光束和第四光束的分束比n:m，n>m；其中，n和m均为整数；将所述第三光束传入所述合束器；

所述第一光电探测器，设置为接收所述合束器传入的光束，获取合束后的光束的光信号，并将获取到的光信号转换成电信号；

所述锁相放大器，设置为当旋转所述光学微腔时，提取所述电信号中的拍频信号；

所述示波器，设置为显示所述锁相放大器的输出信号的幅值；

所述转台，设置为放置所述光学微腔，并以设定的旋转速度带动所述光学微腔旋转。

一种示例性的实施例中，装置还包括：第二光电探测器，伺服放大器；

所述第二光电探测器，设置为接收第四光束，并将获取到的所述第四光束的光信号转换成电信号；

所述伺服放大器，设置为根据接收到的所述第二光电探测器的电信号调整自身的设置从而稳定所述激光器的频率。

一种示例性的实施例中，还包括：衰减器；

所述衰减器，设置为控制所述激光器输出的激光的强度。

一种示例性的实施例中，还包括：偏振控制器；

所述偏振控制器，设置为控制所述激光器输出的激光的偏振方向。

一种示例性的实施例中，所述第一分束器为分束比为50：50的分束器。

一种示例性的实施例中，所述第二分束器为分束比为n:m＝90：10的分束器。

在其他一些示例性的实施例中，所述第二分束器为分束比为n:m＝80：20的分束器，或者所述第二分束器为分束比为n:m＝70：30的分束器等。

一种示例性的实施例中，所述光学微腔的半径为1.25mm。

一种示例性的实施例中，所述光学微腔的品质因子为10⁶。

以下介绍本申请实施例的验证Sagnac效应的具体实施例。

搭建如图2所示的双向泵浦光路。图2中包括激光器(Laser)、衰减器(ATT)、偏振控制器(PC)、第一分束器(BS1)、第一环形器(Circulator1)

、第二环形器(Circulator2)、光纤、光学微腔(cavity)、声光控制器(AOM)、第二分束器(BS2)、合束器(BS3)、第一光电探测器(PD2)、第二光电探测器(PD1)、伺服放大器(SERVO)、锁相放大器(LIA)、示波器(OSC)、转台(未示出)。图2中还示出了信号发生器(FG)，所述信号发生器用于产生信号来驱动声光控制器正常工作。

图2中的实线所示为光路，虚线所示为电信号，中间虚线框内为旋转起来的部分。

激光器发出的激光经衰减器和偏振控制器后到达第一分束器，经第一分束器分为第一光束和第二光束。第一光束和第二光束仅用于区分两束光束，并无先后顺序之分。

第一光束从第一环形器的一个端口进入，从下一个端口进入光纤，第二光束从第二环行器的一个端口进入，从下一个端口进入到同一光纤，即，第一光束和第二光束经不同的环形器通过光纤的不同入口进入到同一光纤。该光纤与光学微腔耦合。为了使光纤和光学微腔耦合，在光纤的某一位置设置光纤锥(该处的光纤非常薄(可以透光))。以使第一光束和第二光束可从该光纤锥进入光学微腔：给激光器加上三角波进行扫频观察模式，利用三维纳米平移台对光学微腔和光纤锥之间的距离进行精确调控，调整光学微腔到合适位置，可以通过示波器的三角波范围内看到光学微腔模式。

第一光束和第二光束以相反的方向进入光纤，耦合进入光学微腔中的环绕方向一个为顺时针一个为逆时针。第一光束和第二光束在光学微腔中环绕一段时间后满足一定的条件会再次出射耦合回光纤，再分别进入不同的环形器分开。第一光束从第二环形器出射，经声光控制器移频200MHz，到达合束器。第二光束从第一环形器出射，经第二分束器分束后，大部分光束到达合束器，小部分到达第二光电探测器。

到达第二光电探测器后，被转换成电信号，通过调整伺服放大器的设置(例如伺服放大器的偏置、PI值和增益值)来锁定激光器的频率，保证输出的激光频率稳定在腔模式内部。因为腔模对进入微腔的激光频率有一定的选择性，腔模是洛伦兹曲线形式，在频域空间有一定的展宽，需要确定激光器输出频率在这个展宽里面，要不会不满足条件不会进入微腔。

合束器合束后的光束中包含第一光束和经分束后的第二光束的大部分光束。合束后的光束到达第一光电探测器后，被转换成电信号，由锁相放大器对其中的拍频信号进行提取，并由示波器显示锁相放大器的输出信号。当旋转光学微腔和部分光纤时，调整锁相放大器的积分时间、灵敏度和参考信号的频率，使锁相放大器的输出信号的幅值达到最大(即与锁相放大器连接的示波器上示数达到最大值)，从而得到特定转速下的最佳参考信号的频率，即拍频信号的频率。

图2中的器件的工作波段都是在1550nm波段，光电探测器和锁相放大器的探测信号范围需要和需要探测的拍频信号匹配，拍频信号的范围为40-120Hz。

图3a示出了本申请实施例的固定光学微腔和部分光纤的旋转速度，改变锁相放大器的参考频率时的输出信号幅度变化图。图中纵坐标代表输出幅值的大小，横坐标代表参考信号的频率。图3a中光学微腔和部分光纤的旋转速度固定为5deg/s，根据Sagnac效应理论计算得到两束相反方向的光经历的频移大小为55.44Hz左右，在这个频率附近手动调整锁相放大器的参考信号，观察锁相放大器的输出幅值的大小。从图3a中可看出，对于特定的转速，总能找到一个和它引起的拍频最匹配的参考信号频率值。并且，光学微腔和部分光纤顺时针旋转和逆时针旋转时的参考信号频率值不同。这是因为到达合束器的信号有四个来源：1)第一光束不经过光学微腔直接到达合束器；2)第一光束经过光学微腔再经过声光控制器移频后到达合束器；3)第二光束不经过光学微腔直接到达合束器；4)第二光束经过光学微腔到达合束器。在旋转的时候上述2)和4)来源会产生相应的频率移动，频率移动与旋转的方向相关，导致顺时针旋转和逆时针旋转所测的拍频信号有所差异。根据这一现象可以通过锁相放大器的参考信号的频率来区分顺时针旋转和逆时针旋转两种情况。

图3b为本申请实施例固定参考信号的频率时锁相放大器输出信号的幅值随转速的变化情况。例如，固定参考信号的频率为114.48Hz，转速的变化范围为9.875deg/s-10.125deg/s，得到的曲线呈现两边低中间高的趋势，这说明固定一个参考频率总有一个转速和它最匹配，使得锁相放大器的输出幅值最大。同样地，对于一个特定的参考信号频率，总能找到一个合适的转速和它最匹配。由于锁相放大器本身滤波器的线宽比较窄，使得我们建立旋转速度大小和参考信号频率大小的联系更加精确。

图4为本申请实施例不同转速下锁相放大器输出信号的响应。图中纵坐标为锁相放大器输出信号的幅值，横坐标为时间。在这个时间范围内转台经历了先静止后加速到最大速度保持一段时间之后再减速到静止。采集的数据点描绘出图中的曲线，图中在上的直线为最大转速下锁相放大器输出信号幅值的平均值，图中在下的直线为静止情况下锁相放大器输出信号幅值的平均值。不同转速和不同旋转方向下，两条直线分别代表光学微腔陀螺仪在静止和旋转两种情况下的输出响应。因此，可以对光学微腔陀螺仪静止和旋转两种状态加以区分。

图5为本申请实施例不同转速下拍频信号的频率变化示意图。图中的纵坐标为拍频信号的频率，横坐标为旋转频率，直线表示根据光学Sagnac效应公式代入实验参数得到的理论曲线，三角形符号表示旋转方向为顺时针时拍频信号的频率变化，圆形表示旋转方向为逆时针时拍频信号的频率变化。

光学Sagnac效应公式为

其中n为材料的折射率，我们代入数值1.44为文献报道的二氧化硅折射率的近似值，r为微腔的半径，实验中我们所用的光学微腔的半径为1.25mm，Ω为旋转频率是自变量，ω_a为所用激光的频率，实验中所用的激光波段为1550nm，c为真空中光速代入数值3*10^8，这一项为材料介质的色散，一般来说这一项不超过0.01％，可以忽略不计。

图5可知，不论旋转方向如何，光学微腔陀螺仪所测得的拍频信号频率随着旋转频率的变化基本呈现线性关系，这为验证观测的频率移动是Sagnac效应提供了直接地证据。但是实验数据点和理论曲线之间有细微的差距，分析原因为：1.理论计算中采用的二氧化硅折射率不一定精确而导致最后的误差；2.光学微腔的半径也不是严格的等于1.25mm也会导致一定的误差；3.实验过程中的噪声影响造成最后的偏离。

本申请实施例提供了一个在光学楔形腔中观测Sagnac效应的可选方案，利用双向泵浦双向输出直接对Sagnac效应造成的拍频进行测量的方式进行角速度传感，在光学微腔体系观测Sagnac效应为后续研制更高精度的光学微腔陀螺仪提供实验基础和证明了在光学微腔体系研制陀螺仪的可行性。该方案对于楔形腔样品的品质因子要求不高，具有比较好的实用性。另外由于楔形腔样品的加工工艺和传统的CMOS半导体加工工艺兼容，因而可以进行片上集成，集成之后对于冲击和振动的鲁棒性比较好，可以应用于冲击和振动比较多的领域。

本申请实施例还提出了验证Sagnac效应的方法，通过上述的验证Sagnac效应的装置获取拍频信号的频率；

获取转台的旋转速度；

根据拍频信号的频率和所述旋转速度验证Sagnac效应。

一种示例性的实施例中，拍频信号的频率通过如下方式确定：

在特定的旋转速度下，将示波器示出的幅值最大值时对应的锁相放大器的参考频率作为拍频信号的频率。

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (9)

1.一种验证Sagnac效应的装置，其特征在于，

包括激光器、第一分束器、第一环形器、第二环形器、光纤、光学微腔、第二分束器、合束器、第一光电探测器、锁相放大器、示波器、转台；

所述第一分束器，设置成接收所述激光器输出的激光，并将所接收的激光分成第一光束和第二光束，分别传入到所述第一环形器和所述第二环形器；

所述第一环形器，设置成将第一光束传入所述光纤的第一端，并接收从所述光纤的第一端出射的第二光束，将所述第二光束传入所述第二分束器；

所述第二环形器，设置成将第二光束传入所述光纤的第二端，并接收从所述光纤的第二端出射的第一光束，将所述第一光束传入所述合束器；

所述光纤与所述光学微腔耦合；

所述光学微腔，设置成使通过所述光纤耦合入射的第一光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第二端出射，使通过所述光纤耦合入射的第二光束出射耦合回所述光纤，并从所述光纤的第一端出射；

所述第二分束器，设置成将所述第二光束分成第三光束和第四光束；第三光束和第四光束的分束比n:m，n>m；将所述第三光束传入所述合束器；其中，n和m为整数；

所述第一光电探测器，设置为接收所述合束器传入的光束，获取合束后的光束的光信号，并将获取到的光信号转换成电信号；

所述锁相放大器，设置为当旋转所述光学微腔时，提取所述电信号中的拍频信号；

所述示波器，设置为显示所述锁相放大器的输出信号的幅值；

所述转台，设置为放置所述光学微腔，并以设定的旋转速度带动所述光学微腔旋转。

2.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于，

还包括：第二光电探测器，伺服放大器；

所述第二光电探测器，设置为接收第四光束，并将获取到的所述第四光束的光信号转换成电信号；

所述伺服放大器，设置为根据接收到的所述第二光电探测器的电信号调整自身的设置从而稳定所述激光器的频率。

3.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于，

还包括：衰减器；

所述衰减器，设置为控制所述激光器输出的激光的强度。

4.如权利要求3所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于，

还包括：偏振控制器；

所述偏振控制器，设置为控制所述激光器输出的激光的偏振方向。

5.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于：

所述第一分束器为分束比为50：50的分束器。

6.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于：

所述第二分束器为分束比为n:m＝90：10的分束器。

7.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于：

所述光学微腔的半径为1.25mm。

8.如权利要求1所述的验证Sagnac效应的装置，其特征在于：

所述光学微腔的品质因子为10⁶。

9.一种验证Sagnac效应的方法，其特征在于：

通过权利要求1-8任一项所述的验证Sagnac效应的装置获取拍频信号的频率；

获取转台的旋转速度；

根据拍频信号的频率和所述旋转速度验证Sagnac效应；

拍频信号的频率通过如下方式确定：

在特定的旋转速度下，将示波器示出的幅值最大值时对应的锁相放大器的参考频率作为拍频信号的频率。