CN115560749A - 一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统 - Google Patents

一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统 Download PDF

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Abstract

一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，以无自旋交换弛豫惯性测量装置为研究对象，针对由检测激光失谐导致的横向光频移的问题，通过蓝失谐和红失谐的两路检测激光进行检测的方法，同时结合利用光旋角信息调节两个检测激光器的频率使蓝失谐检测激光导致的横向光频移和红失谐导致的横向光频移相互抵消，建立了一种横向光频移的抑制方案。本发明基于无自旋交换弛豫惯性测量装置，在满足了使用远失谐的线偏振光检测激光进行信号检测的设计需求的同时，抑制了横向光频移误差，提高了信噪比，适用于无自旋交换弛豫惯性/磁场测量装置一类的产品，具有十分广阔的前景。

Description

一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统
技术领域
本发明属于无自旋交换弛豫惯性测量装置技术领域，具体涉及一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统。
背景技术
近年来，随着物理领域和光学工程领域的发展，量子传感相关的研究也得到了快速的发展。其中无自旋交换弛豫惯性测量装置有兼顾精度高、体积小的潜力，成为了下一代惯性导航的研究前沿之一。无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移会影响检测系统的精度，横向光频移的抑制对高精度的无自旋交换弛豫惯性测量装置具有重要意义。
目前，关于横向光频移的消除方法主要是通过调节激光频率或者是碱金属气室的温度，使不同碱金属原子产生的横向光频移进行对消来达到消除横向光频移的目的。但是在实际应用中，激光的频率或者碱金属原子气室的温度还影响着系统原子的极化率，这对无自旋交换弛豫惯性测量装置非常重要，然后在实现横向光频移对消的同时往往不能兼顾保持原子的高极化率。
综上，随着量子物理领域的发展进步，针对横向光频移消除的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。本发明从总体出发，研究无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的消除方法，将为相似的气无自旋交换弛豫惯性/磁场测量装置横向光频移消除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：克服检测激光系统失谐导致的横向光频移误差，提供一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，用以抑制横向光频移。
本发明的技术解决方案如下：
一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，包括在碱金属气室左侧的抽运光路上设置的第三稳光强系统，在碱金属气室下侧的第二检测光路上设置的第二稳光强系统，和在碱金属气室上侧的第一检测光路上设置的第一稳光强系统，所述第一稳光强系统出射的第一检测光依次透过第一消偏分光棱镜和碱金属气室后由第二消偏分光棱镜反射到第二光电探测差分处理系统，所述第二光电探测差分处理系统连接信号处理器的第二通道，所述第二稳光强系统出射的第二检测光依次透过第二消偏分光棱镜和碱金属气室后由第一消偏分光棱镜反射到第一光电探测差分处理系统，所述第一光电探测差分处理系统连接信号处理器的第一通道，所述第三稳光强系统出射的抽运光通过1/4波片照射所述碱金属气室。
所述第一检测光蓝失谐于碱金属原子共振线，所述第二检测光红失谐于碱金属原子共振线，所述第一检测光与所述第二检测光因产生符号相反的横向光频移而相互抵消，从而实现对横向光频移的抑制。
所述信号处理器分别得到第一检测光和第二检测光经过气室后的线偏振面旋转角信息，通过调节两个检测激光器的频率使信号处理器的两个通道信号大小相等，进而达到抑制横向光频移的效果。
所述第一光电探测差分处理系统包括第一差分节点，所述第一差分节点的输出端连接所述信号处理器的第一通道，所述第一差分节点的第一输入端通过第三光电探测器连接第六偏振分光棱镜的反射侧，所述第一差分节点的第二输入端通过第四光电探测器连接第六偏振分光棱镜的透射侧，第六偏振分光棱镜的输入侧通过第三1/2波片连接所述第一消偏分光棱镜的反射侧。
所述第二光电探测差分处理系统包括第二差分节点，所述第二差分节点的输出端连接所述信号处理器的第二通道，所述第二差分节点的第一输入端通过第六光电探测器连接第三偏振分光棱镜的反射侧，所述第二差分节点的第二输入端通过第五光电探测器连接第三偏振分光棱镜的透射侧，第三偏振分光棱镜的输入侧通过第四1/2波片连接所述第二消偏分光棱镜的反射侧。
所述第一稳光强系统包括依次串联的第四偏振分光棱镜、第二液晶相位延迟器、第二1/2波片和第五偏振分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜的透射侧连接第一消偏分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜的反射侧通过第二光电探测器连接所述第二液晶相位延迟器，所述第四偏振分光棱镜通过第一光隔离器连接第一检测激光器；所述第二稳光强系统包括依次串联的第八偏振分光棱镜、第五1/2波片、第三液晶相位延迟器和第七偏振分光棱镜，所述第七偏振分光棱镜的透射侧连接第二消偏分光棱镜，所述第七偏振分光棱镜的反射侧通过第七光电探测器连接所述第三液晶相位延迟器，所述第八偏振分光棱镜通过第二光隔离器连接第二检测激光器。
所述第四偏振分光棱镜与所述第五偏振分光棱镜相互光轴垂直，通过调节第二1/2波片达到消光的效果后，通过控制第二液晶相位延迟器的电压来稳定控制第一检测光光强；所述第八偏振分光棱镜与所述第七偏振分光棱镜相互光轴垂直，通过调节第五1/2波片达到消光的效果后，通过控制第三液晶相位延迟器的电压来稳定控制第二检测光光强；在所述碱金属气室中，第一检测光光强与第二检测光光强大小相等。
所述碱金属气室中含有钾、铷或铯原子，同时充有氮气和氦气。
所述第三稳光强系统包括依次串联的第一偏振分光棱镜、第一液晶相位延迟器、第一1/2波片和第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的透射侧连接所述1/4波片，所述第二偏振分光棱镜的反射侧通过第一光电探测器连接所述第一液晶相位延迟器，所述第一偏振分光棱镜连接抽运激光器。
本发明的技术效果如下：本发明一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，以无自旋交换弛豫惯性测量装置为研究对象，针对由检测激光失谐导致的横向光频移的问题，通过蓝失谐和红失谐的两路检测激光进行检测的方法，同时结合利用光旋角信息调节两个检测激光器的频率使蓝失谐检测激光导致的横向光频移和红失谐导致的横向光频移相互抵消，建立了一种横向光频移的抑制方案。本发明基于无自旋交换弛豫惯性测量装置，在满足了使用远失谐的线偏振光检测激光进行信号检测的设计需求的同时，抑制了横向光频移误差，提高了信噪比，适用于无自旋交换弛豫惯性/磁场测量装置一类的产品，具有十分广阔的前景。
发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用两束失谐方向相反的检测激光对原子信号进行检测，满足了在不影响系统其他参数最优工作点的情况下抑制了横向光频移，同时利用了光旋角的信息对两个检测激光器的频率进行调节更精准，进一步提高了抑制效率。
附图说明
图1是实施本发明一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统结构示意图。
附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-第一偏振分光棱镜；3-第一液晶相位延迟器；4-第一1/2波片；5-第二偏振分光棱镜；6-第一光电探测器；7-1/4波片；8-碱金属气室；9-第一检测激光器；10-第一光隔离器；11-第四偏振分光棱镜；12-第二液晶相位延迟器；13-第二1/2波片；14-第二光电探测器；15-第五偏振分光棱镜；16-第一消偏分光棱镜；17-第三1/2波片；18-第三光电探测器；19-第六偏振分光棱镜；20-第四光电探测器；21-信号处理器；22-第二消偏分光棱镜；23-第四1/2波片；24-第三偏振分光棱镜；25-第六光电探测器；26-第五光电探测器；28-第七偏振分光棱镜；29-第七光电探测器；30-第三液晶相位延迟器；31-第五1/2波片；32-第八偏振分光棱镜；33-第二光隔离器；34-第二检测激光器。
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是实施本发明一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统结构示意图。参考图1所示，一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，包括在碱金属气室8左侧的抽运光路上设置的第三稳光强系统，在碱金属气室8下侧的第二检测光路上设置的第二稳光强系统，和在碱金属气室8上侧的第一检测光路上设置的第一稳光强系统，所述第一稳光强系统出射的第一检测光依次透过第一消偏分光棱镜16和碱金属气室8后由第二消偏分光棱镜22反射到第二光电探测差分处理系统，所述第二光电探测差分处理系统连接信号处理器21的第二通道，所述第二稳光强系统出射的第二检测光依次透过第二消偏分光棱镜22和碱金属气室8后由第一消偏分光棱镜16反射到第一光电探测差分处理系统，所述第一光电探测差分处理系统连接信号处理器21的第一通道，所述第三稳光强系统出射的抽运光通过1/4波片7照射所述碱金属气室8。所述第一检测光蓝失谐于碱金属原子共振线，所述第二检测光红失谐于碱金属原子共振线，所述第一检测光与所述第二检测光因产生符号相反的横向光频移而相互抵消，从而实现对横向光频移的抑制。所述信号处理器21分别得到第一检测光和第二检测光经过气室后的线偏振面旋转角信息，通过调节两个检测激光器的频率使信号处理器21的两个通道信号大小相等，进而达到抑制横向光频移的效果。
所述第一光电探测差分处理系统包括第一差分节点，所述第一差分节点的输出端连接所述信号处理器21的第一通道，所述第一差分节点的第一输入端通过第三光电探测器18连接第六偏振分光棱镜19的反射侧，所述第一差分节点的第二输入端通过第四光电探测器20连接第六偏振分光棱镜19的透射侧，第六偏振分光棱镜19的输入侧通过第三1/2波片17连接所述第一消偏分光棱镜16的反射侧。所述第二光电探测差分处理系统包括第二差分节点，所述第二差分节点的输出端连接所述信号处理器21的第二通道，所述第二差分节点的第一输入端通过第六光电探测器25连接第三偏振分光棱镜24的反射侧，所述第二差分节点的第二输入端通过第五光电探测器26连接第三偏振分光棱镜24的透射侧，第三偏振分光棱镜24的输入侧通过第四1/2波片23连接所述第二消偏分光棱镜22的反射侧。
所述第一稳光强系统包括依次串联的第四偏振分光棱镜11、第二液晶相位延迟器12、第二1/2波片13和第五偏振分光棱镜15，所述第五偏振分光棱镜15的透射侧连接第一消偏分光棱镜16，所述第五偏振分光棱镜15的反射侧通过第二光电探测器14连接所述第二液晶相位延迟器12，所述第四偏振分光棱镜11通过第一光隔离器10连接第一检测激光器9；所述第二稳光强系统包括依次串联的第八偏振分光棱镜32、第五1/2波片31、第三液晶相位延迟器30和第七偏振分光棱镜28，所述第七偏振分光棱镜28的透射侧连接第二消偏分光棱镜22，所述第七偏振分光棱镜28的反射侧通过第七光电探测器29连接所述第三液晶相位延迟器30，所述第八偏振分光棱镜32通过第二光隔离器33连接第二检测激光器34。
所述第四偏振分光棱镜11与所述第五偏振分光棱镜15相互光轴垂直，通过调节第二1/2波片13达到消光的效果后，通过控制第二液晶相位延迟器12的电压来稳定控制第一检测光光强；所述第八偏振分光棱镜32与所述第七偏振分光棱镜28相互光轴垂直，通过调节第五1/2波片31达到消光的效果后，通过控制第三液晶相位延迟器30的电压来稳定控制第二检测光光强；在所述碱金属气室8中，第一检测光光强与第二检测光光强大小相等。所述碱金属气室8中含有钾、铷或铯原子，同时充有氮气和氦气。所述第三稳光强系统包括依次串联的第一偏振分光棱镜2、第一液晶相位延迟器3、第一1/2波片4和第二偏振分光棱镜5，所述第二偏振分光棱镜5的透射侧连接所述1/4波片7，所述第二偏振分光棱镜5的反射侧通过第一光电探测器6连接所述第一液晶相位延迟器3，所述第一偏振分光棱镜2连接抽运激光器1。
图1为本发明一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统结构示意图，由图可见，一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，包括抽运激光器(1)，第一偏振分光棱镜(2)，第一液晶相位延迟器(3)，第一二分之一波片(4)，第二偏振分光棱镜(5)，第一光电探测器(6)，四分之一波片(7)，碱金属气室(8)，第一检测激光器(9)，第一光隔离器(10)，第四偏振分光棱镜(11)，第二液晶相位延迟器(12)，第二二分之一波片(13)，第二光电探测器(14)，第五偏振分光棱镜(15)，第一消偏分光棱镜(16)，第三二分之一波片(17)，第三光电探测器(18)，第六偏振分光棱镜(19)，第四光电探测器(20)，信号处理器(21)，第二消偏分光棱镜(22)，第四二分之一波片(23)，第三偏振分光棱镜(24)，第六光电探测器(25)，第五光电探测器(26)，第七偏振分光棱镜(28)，第七光电探测器(29)，第三液晶相位延迟器(30)，第五二分之一波片(31)，第八偏振分光棱镜(32)，第二光隔离器(33)，第二检测激光器(34)；用抽运激光器(1)生成一束和碱金属D1线共振单色光，依次经过第一偏振分光棱镜(2)，第一液晶相位延迟器(3)，第一二分之一波片(4)，第二偏振分光棱镜(5)后分成两束偏振方向正交的光，反射光送第一光电探测器(6)进行探测，透射光经过四分之一波片(7)，碱金属气室(8)对碱金属原子进行抽运；用第一检测激光器(9)生成一束远失谐于碱金属原子D1线的单色光，依次经过第一光隔离器(10)，第四偏振分光棱镜(11)，第二液晶相位延迟器(12)，第二二分之一波片(13)，第五偏振分光棱镜(15)后分成两束偏振方向正交的光，反射光送第二光电探测器(14)，透射光依次经过第一消偏分光棱镜(16)，碱金属气室(8)，第二消偏分光棱镜(22)分为两束大小相同、偏振方向相同的光，反射光依次经过第四二分之一波片(23)，第三偏振分光棱镜(24)后分成两束偏振方向正交的光，反射光进入第六光电探测器(25)，透射光进入第五光电探测器(26)，两个光电探测器的信号进行差分后送入信号处理器(21)中供指导者观察；用第二检测激光器(34)生成一束远失谐于碱金属原子D1线的单色光，依次经过第二光隔离器(33)，第八偏振分光棱镜(32)，第五二分之一波片(31)，第三液晶相位延迟器(30)，第七偏振分光棱镜(28)后分为两束偏振方向正交的光，反射光送第二光电探测器(14)，透射光依次经过第二消偏分光棱镜(22)，碱金属气室(8)，第一消偏分光棱镜(16)后分为两束大小相同、偏振方向相同的光，反射光依次经过第三二分之一波片(17)，第六偏振分光棱镜(19)后分成两束偏振方向正交的光，反射光进入第三光电探测器(18)，透射光进入第四光电探测器(20)，两个光电探测器的信号进行差分后送入信号处理器(21)中供指导者观察。
所述光路中的第一光隔离器(10)和第二光隔离器(33)选用偏振无关光隔离器或偏振相关光隔离器均可。
所述的第六偏振分光棱镜(19)要和第七偏振分光棱镜(28)的光轴正交放置，同时调节第三1/2波片(17)使第六偏振分光棱镜(19)、第三1/2波片(17)和第七偏振分光棱镜(28)组成的系统在碱金属气室(8)未加热时达到消光的效果；所述的第三偏振分光棱镜(24)要和第五偏振分光棱镜(15)的光轴正交放置，同时调节第四1/2波片(23)使第三偏振分光棱镜(24)、第四1/2波片(23)和第五偏振分光棱镜(15)组成的系统在碱金属气室(8)未加热时达到消光的效果。
所述第四偏振分光棱镜(11)，第二液晶相位延迟器(12)，第二1/2波片(13)，第二光电探测器(14)，第五偏振分光棱镜(15)共同构成第一稳光强系统，第七偏振分光棱镜(28)，第七光电探测器(29)，第三液晶相位延迟器(30)，第五1/2波片(31)，第八偏振分光棱镜(32)共同构成第二稳光强系统。所述两个稳光强系统中，两个偏振分光棱镜光轴垂直放置调节其中的二分之一波片达到消光的效果后，通过控制其中的液晶相位延迟器的电压来稳定控制通过稳光强系统后的光强。
所述的气室(8)中含有钾、铷或铯原子，同时充有氮气和氦气。
所述采用的第一检测激光器(9)和第二检测激光器(10)分别蓝失谐和红失谐于碱金属原子共振线，产生符号相反的横向光频移。
由第一检测激光器(9)带来的横向光频移Lx1为：
Figure BDA0003806510790000061
其中，re为经典电子半径；c为光速；f为振子强度；Φ1为第一检测激光器(9)的光通量；γe为电子旋磁比；A为入射的横截面积；D(v1)为和第二检测激光器(34)出射激光频率v1相关的项，为：
Figure BDA0003806510790000071
上式中υ0为碱金属原子共振频率，Δυ/2为碱金属原子吸收光子曲线的半高全宽。由第二检测激光器(34)带来的横向光频移Lx2为：
Figure BDA0003806510790000072
其中，Φ2为光通量；其中D(v2)为和第一检测激光器(9)出射激光频率v2相关的项，为：
Figure BDA0003806510790000073
通过控制第一稳光强模块和第二稳光强模块来达到两个检测激光器光通量大小相等。此时通过对上式进行观察可以发现，当两束检测激光的频率满足下式时：
v1-v0＝v0-v2
我们可以得到：
Lx1+Lx2＝0
同时，所述的第三光电探测器(18)和第四光电探测器(20)的信号差分后送入信号处理器(21)通道一中进行处理得到第二检测激光器(34)经过碱金属气室(8)的线偏振面旋转角φ1：
Figure BDA0003806510790000074
其中，l为光路在气室内走过的长度；na为原子数密度；
Figure BDA0003806510790000075
为横向电子极化率。第六光电探测器(25)和第五光电探测器(26)的信号差分后送入信号处理器(21)通道二中进行处理得到第一检测激光器(9)经过碱金属气室(8)的线偏振面旋转角φ2：
Figure BDA0003806510790000081
由上述两个公式可以看出，当两束激光经过气室后线偏振面旋转角度大小相同方向相反时，即可满足：
v1-v0＝v0-v2
也就是达到了抑制横向光频移的效果，即：
Lx1+Lx2＝0
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 (9)

1.一种无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，包括在碱金属气室左侧的抽运光路上设置的第三稳光强系统，在碱金属气室下侧的第二检测光路上设置的第二稳光强系统，和在碱金属气室上侧的第一检测光路上设置的第一稳光强系统，所述第一稳光强系统出射的第一检测光依次透过第一消偏分光棱镜和碱金属气室后由第二消偏分光棱镜反射到第二光电探测差分处理系统，所述第二光电探测差分处理系统连接信号处理器的第二通道，所述第二稳光强系统出射的第二检测光依次透过第二消偏分光棱镜和碱金属气室后由第一消偏分光棱镜反射到第一光电探测差分处理系统，所述第一光电探测差分处理系统连接信号处理器的第一通道，所述第三稳光强系统出射的抽运光通过1/4波片照射所述碱金属气室。
2.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第一检测光蓝失谐于碱金属原子共振线，所述第二检测光红失谐于碱金属原子共振线，所述第一检测光与所述第二检测光因产生符号相反的横向光频移而相互抵消，从而实现对横向光频移的抑制。
3.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述信号处理器分别得到第一检测光和第二检测光经过气室后的线偏振面旋转角信息，通过调节两个检测激光器的频率使信号处理器的两个通道信号大小相等，进而达到抑制横向光频移的效果。
4.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第一光电探测差分处理系统包括第一差分节点，所述第一差分节点的输出端连接所述信号处理器的第一通道，所述第一差分节点的第一输入端通过第三光电探测器连接第六偏振分光棱镜的反射侧，所述第一差分节点的第二输入端通过第四光电探测器连接第六偏振分光棱镜的透射侧，第六偏振分光棱镜的输入侧通过第三1/2波片连接所述第一消偏分光棱镜的反射侧。
5.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第二光电探测差分处理系统包括第二差分节点，所述第二差分节点的输出端连接所述信号处理器的第二通道，所述第二差分节点的第一输入端通过第六光电探测器连接第三偏振分光棱镜的反射侧，所述第二差分节点的第二输入端通过第五光电探测器连接第三偏振分光棱镜的透射侧，第三偏振分光棱镜的输入侧通过第四1/2波片连接所述第二消偏分光棱镜的反射侧。
6.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第一稳光强系统包括依次串联的第四偏振分光棱镜、第二液晶相位延迟器、第二1/2波片和第五偏振分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜的透射侧连接第一消偏分光棱镜，所述第五偏振分光棱镜的反射侧通过第二光电探测器连接所述第二液晶相位延迟器，所述第四偏振分光棱镜通过第一光隔离器连接第一检测激光器；所述第二稳光强系统包括依次串联的第八偏振分光棱镜、第五1/2波片、第三液晶相位延迟器和第七偏振分光棱镜，所述第七偏振分光棱镜的透射侧连接第二消偏分光棱镜，所述第七偏振分光棱镜的反射侧通过第七光电探测器连接所述第三液晶相位延迟器，所述第八偏振分光棱镜通过第二光隔离器连接第二检测激光器。
7.根据权利要求6所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第四偏振分光棱镜与所述第五偏振分光棱镜相互光轴垂直，通过调节第二1/2波片达到消光的效果后，通过控制第二液晶相位延迟器的电压来稳定控制第一检测光光强；所述第八偏振分光棱镜与所述第七偏振分光棱镜相互光轴垂直，通过调节第五1/2波片达到消光的效果后，通过控制第三液晶相位延迟器的电压来稳定控制第二检测光光强；在所述碱金属气室中，第一检测光光强与第二检测光光强大小相等。
8.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述碱金属气室中含有钾、铷或铯原子，同时充有氮气和氦气。
9.根据权利要求1所述的无自旋交换弛豫惯性测量装置横向光频移的抑制系统，其特征在于，所述第三稳光强系统包括依次串联的第一偏振分光棱镜、第一液晶相位延迟器、第一1/2波片和第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的透射侧连接所述1/4波片，所述第二偏振分光棱镜的反射侧通过第一光电探测器连接所述第一液晶相位延迟器，所述第一偏振分光棱镜连接抽运激光器。
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