CN114895225B - 一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置与方法，包括半导体激光器、光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、光旋角检测系统、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集系统和数据处理系统，本发明利用BS得到支路光强，得到做商之后的信号并对其进行傅里叶变化分析，有效抑制了光功率波动的影响，提高了SERF磁强计检测的精确度和灵敏度本发明未加入激光器稳功率的附加调制装置，避免在SERF磁强计装置中引入复杂光路。本发明装置简单，无需复杂操作，大幅降低了成本。

Description

一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置与方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器功率稳定领域，特别涉及一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置与方法。

背景技术

半导体激光器是实现无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation Free, SERF)磁强计装置超高灵敏原子自旋磁场测量的关键器件。激光器的功率受外部温度、湿度等环境因素影响会出现波动，直接影响原子自旋进动信号大小，最终影响SERF磁强计装置的灵敏度。抑制激光器输出光功率的波动对SERF磁强计装置的性能提高有至关重要的作用。

常见的半导体激光器功率稳定方法可分为激光器内部稳功率和外部稳功率两大类，激光器内部稳功率主要是通过稳定激光器内部的驱动电流与温度实现激光功率稳定；激光器外部稳功率是将激光器发射出来的激光，经过某些特定物质，使激光的特性发生改变。通过控制这些特定物质，进而实现对激光功率的控制。常见的方法有电光调制法、法拉第调制法、液晶相位延迟器法和声光调制法等。

激光器内部稳功率系统简单，但对激光功率的稳定度不高。激光器外部功率稳定技术对激光功率的稳定度高，但系统较为复杂，成本高，并且会引入其他因素的干扰。因此，需要一种用于SERF磁强计的激光功率波动抑制方法，以解决在检测系统中半导体激光功率不稳定的现象，从而进一步提高SERF磁强计磁场测量的检测灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置与方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，包括半导体激光器、光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、光旋角检测系统、第一光电探测器、第二光电探测器、数据采集系统和数据处理系统，所述光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、光旋角检测系统和第一光电探测器依次布置在所述半导体激光器发出的激光束路径上，所述光旋角检测系统包括沿光路依次布置的第一格兰棱镜、气室、第二格兰棱镜，激光束经过所述分光棱镜后的反射光方向布置有第二光电探测器，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器电信连接有数据采集系统，所述数据采集系统电信连接有数据处理系统。

作为优选的，所述半导体激光器为波长使用770nm的窄线宽半导体激光器，所述半导体激光器的控制电流为正常工作电流的110％~150%。

作为优选的，所述1/2波片和偏振分光棱镜将所述半导体激光器发出的激光束转化为功率可调的线偏振光。

作为优选的，所述偏振分光棱镜将主路激光束分为两束，所述1/2波片用于调节偏振分光棱镜的分光比。

作为优选的，所述偏振分光棱镜的分光比为1：9，所述分光棱镜的分光比为3：7。

作为优选的，经所述光旋角检测系统中第二格兰棱镜出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器转化为电信号，进入数据采集系统作为待测信号，所述分光棱镜的反射光经第二光电探测器转化为电信号，进入数据采集系统作为参考信号，所述数据采集系统将采集到的测量信号和参考信号发送给所述数据处理系统进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析。

本发明还公开了一种抑制原子自旋进动检测光功率波动方法，包括如下步骤：

S1：半导体激光器发出激光束经光电隔离器、1/2波片和偏振分光棱镜转化为功率可调的线偏振光；

S2：偏振分光棱镜的透射光经过分光棱镜被分为两束，分别为检测光源和参考光源；

S3：参考光源经第二光电探测器转化为电信号进入数据采集系统作为参考信号；

S4：检测光源进入由第一格兰棱镜、气室和第二格兰棱镜组成的检测系统，由第二格兰棱镜出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器转化为电信号进入数据采集系统作为待测信号；

S5：数据采集系统将采集到的数据发送给数据处理系统进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析，计算待测光旋角。

作为优选的，所述偏振分光棱镜转化的线偏振光的功率通过调节1/2波片的快轴方向来调整，使其符合实验要求。

作为优选的，调节所述1/2波片使偏振分光棱镜的反射光与透射光为1：9，其透射光作为后续光路的工作光源，经过分光棱镜将光束分为两束，反射光与透射光为3：7，其反射光作为参考光源，其透射光作为检测光源。

本发明的有益效果：

（1）本发明利用BS得到支路光强，得到做商之后的信号并对其进行傅里叶变化分析，有效抑制了光功率波动的影响，提高了SERF磁强计检测的精确度和灵敏度。

（2）本发明未加入激光器稳功率的附加调制装置，避免在SERF磁强计装置中引入复杂光路。

（3）本发明装置简单，无需复杂操作，大幅降低了成本。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图中：半导体激光器—1、光电隔离器—2、1/2波片—3、偏振分光棱镜—4、分光棱镜—5、第一格兰棱镜—6、气室—7、第二格兰棱镜—8、第一光电探测器—9、第二光电探测器—10、数据采集系统—11、数据处理系统—12。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明实施例提供了一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，包括半导体激光器1、光电隔离器2、1/2波片3、偏振分光棱镜4、分光棱镜5、光旋角检测系统、第一光电探测器9、第二光电探测器10、数据采集系统11和数据处理系统12，所述光电隔离器2、1/2波片3、偏振分光棱镜4、分光棱镜5、光旋角检测系统和第一光电探测器9依次布置在所述半导体激光器1发出的激光束路径上，所述光旋角检测系统包括沿光路依次布置的第一格兰棱镜6、气室7、第二格兰棱镜8，激光束经过所述分光棱镜5后的反射光方向布置有第二光电探测器10，所述第一光电探测器9和所述第二光电探测器10电信连接有数据采集系统11，所述数据采集系统11电信连接有数据处理系统12。

所述半导体激光器1为波长使用770nm的窄线宽半导体激光器，所述半导体激光器1的控制电流为正常工作电流的110％~150%。

所述1/2波片3和偏振分光棱镜4将所述半导体激光器1发出的激光束转化为功率可调的线偏振光。

所述偏振分光棱镜4将主路激光束分为两束，所述1/2波片3用于调节偏振分光棱镜4的分光比。

所述偏振分光棱镜4的分光比为1：9，所述分光棱镜5的分光比为3：7。

经所述光旋角检测系统中第二格兰棱镜8出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器9转化为电信号，进入数据采集系统11作为待测信号，所述分光棱镜5的反射光经第二光电探测器10转化为电信号，进入数据采集系统11作为参考信号，所述数据采集系统11将采集到的测量信号和参考信号发送给所述数据处理系统12进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析。

本发明实施例还提供了一种抑制原子自旋进动检测光功率波动方法，包括如下步骤：

S1：半导体激光器1发出激光束经光电隔离器2、1/2波片3和偏振分光棱镜4转化为功率可调的线偏振光；

S2：偏振分光棱镜4的透射光经过分光棱镜5被分为两束，分别为检测光源和参考光源；

S3：参考光源经第二光电探测器10转化为电信号进入数据采集系统11作为参考信号；

S4：检测光源进入由第一格兰棱镜6、气室7和第二格兰棱镜8组成的检测系统，由第二格兰棱镜8出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器9转化为电信号进入数据采集系统11作为待测信号；

S5：数据采集系统11将采集到的数据发送给数据处理系统12进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析，计算待测光旋角。

所述偏振分光棱镜4转化的线偏振光的功率通过调节1/2波片3的快轴方向来调整，使其符合实验要求。

调节所述1/2波片3使偏振分光棱镜4的反射光与透射光为1：9，其透射光作为后续光路的工作光源，经过分光棱镜将光束分为两束，反射光与透射光为3：7，其反射光作为参考光源，其透射光作为检测光源。

实验的具体方法如下：

半导体激光器1发出的激光束经过光电隔离器2，避免反射回激光器对激光器造成损害，1/2波片3和偏振分光棱镜4将第一光电隔离器出射的光转化成功率可调的线偏振光，其透射光经过分光棱镜将光束分为两束，分光棱镜的反射光经第二光电探测器10转化为电信号进入数据采集系统11作为参考信号，分光棱镜的透射光进入第一格兰棱镜6、气室7和第二格兰棱镜8组成的检测系统用于SERF原子自旋进动检测，第二格兰棱镜8出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器9转化为电信号进入数据采集系统11作为待测信号，数据采集系统11将采集到的数据发送给数据处理系统12进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析，通过该方法可以抑制光功率波动以及光功率随时间漂移对灵敏度的影响。

第一光电探测器9采集到的待测信号电压为：

第二光电探测器10采集到的参考信号电压为：

最终做商信号

其中

为分光棱镜的分光比，该信号消除了激光功率

项，因此可以消除光功率波动带来的影响，且保留了待测的光旋角信息。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，其特征在于：包括半导体激光器(1)、光电隔离器(2)、1/2波片(3)、偏振分光棱镜(4)、分光棱镜(5)、光旋角检测系统、第一光电探测器(9)、第二光电探测器(10)、数据采集系统(11)和数据处理系统(12)，所述光电隔离器(2)、1/2波片(3)、偏振分光棱镜(4)、分光棱镜(5)、光旋角检测系统和第一光电探测器(9)依次布置在所述半导体激光器(1)发出的激光束路径上，所述光旋角检测系统包括沿光路依次布置的第一格兰棱镜(6)、气室(7)、第二格兰棱镜(8)，激光束经过所述分光棱镜(5)后的反射光方向布置有第二光电探测器(10)，所述第一光电探测器(9)和所述第二光电探测器(10)连接有数据采集系统(11)，所述数据采集系统(11)连接有数据处理系统(12)；经所述光旋角检测系统中第二格兰棱镜(8)出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器(9)转化为电信号，进入数据采集系统(11)作为待测信号，所述分光棱镜(5)的反射光经第二光电探测器(10)转化为电信号，进入数据采集系统(11)作为参考信号，所述数据采集系统(11)将采集到的测量信号和参考信号发送给所述数据处理系统(12)进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析。

2.如权利要求1所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，其特征在于：所述半导体激光器(1)为波长使用770nm的窄线宽半导体激光器，所述半导体激光器(1)的控制电流为正常工作电流的110％~150%。

3.如权利要求1所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，其特征在于：所述1/2波片(3)和偏振分光棱镜(4)将所述半导体激光器(1)发出的激光束转化为功率可调的线偏振光。

4.如权利要求1所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，其特征在于：所述偏振分光棱镜(4)将主路激光束分为两束，所述1/2波片(3)用于调节偏振分光棱镜(4)的分光比。

5.如权利要求1所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动装置，其特征在于：所述偏振分光棱镜(4)的分光比为1：9，所述分光棱镜(5)的分光比为3：7。

6.一种抑制原子自旋进动检测光功率波动方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：半导体激光器(1)发出激光束经光电隔离器(2)、1/2波片(3)和偏振分光棱镜(4)转化为功率可调的线偏振光；

S2：偏振分光棱镜(4)的透射光经过分光棱镜(5)被分为两束，分别为检测光源和参考光源；

S3：参考光源经第二光电探测器(10)转化为电信号进入数据采集系统(11)作为参考信号；

S4：检测光源进入由第一格兰棱镜(6)、气室(7)和第二格兰棱镜(8)组成的检测系统，由第二格兰棱镜(8)出射的携带光旋角信息的激光经第一光电探测器(9)转化为电信号进入数据采集系统(11)作为待测信号；

S5：数据采集系统(11)将采集到的数据发送给数据处理系统(12)进行数据处理，在控制端将待测信号和参考信号做商，对做商所得信号进行傅里叶变换分析，计算待测光旋角。

7.如权利要求6所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动方法，其特征在于：所述偏振分光棱镜(4)转化的线偏振光的功率通过调节1/2波片(3)的快轴方向来调整，使其符合实验要求。

8.如权利要求6所述的一种抑制原子自旋进动检测光功率波动方法，其特征在于：调节所述1/2波片(3)使偏振分光棱镜(4)的反射光与透射光为1：9，其透射光作为后续光路的工作光源，经过分光棱镜(5)将光束分为两束，反射光与透射光为3:7，其反射光作为参考光源，其透射光作为检测光源。

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