CN117146979A - 一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统 - Google Patents
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Abstract
一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，具有低噪声、高增益、增益可调的特性，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
Description
技术领域
本发明涉及饱和吸收稳频技术领域，特别是一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统。
背景技术
光电探测器是广泛应用于光学测量和通信领域的重要组件之一。饱和吸收稳频技术是一种基于光和原子相互作用的频率测量方法，用于测量光频率和其他物理参数。然而，在使用光电探测器进行饱和吸收稳频测量时，存在一些问题需要解决。
目前，常规的光电探测器在饱和吸收稳频测量中存在信号直流偏置的问题。这种直流偏置会对测量信号产生不利影响，导致测量结果的精度和稳定性下降。此外，传统的光电探测器在低光强条件下噪声较高，限制了系统的灵敏度和动态范围。因此，需要一种新的技术来提高光电探测器的性能，实现低噪声、高增益和增益可调的消直流偏置光电探测器用于饱和吸收稳频系统。
为了解决上述问题，已经提出了一些方法来改善光电探测器的性能。例如，一种常见的方法是使用外部电路来消除直流偏置，但这增加了系统的复杂性并引入了其他干扰。另一种方法是优化光电探测器的设计和制造工艺，以减少噪声和提高增益，但这也受到了技术上的限制。
因此，有需要提出一种新的技术来实现低噪声、高增益和增益可调的消直流偏置的光电探测器饱和吸收稳频系统。该系统旨在通过创新的方法和结构设计来克服现有技术的局限性。通过优化光电探测器的电路，该系统能够实现低噪声的信号检测和高增益的信号放大。此外，该系统还具备可调节增益的功能，以适应不同应用场景下的需求。通过消除直流偏置提高系统的灵敏度和信噪比，该系统能够提供准确、可靠的饱和吸收稳频测量结果。该系统的引入将极大地提高饱和吸收稳频测量的精度、稳定性和可靠性，同时具备广泛的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，通过将光路发出的探测信号光进入光电探测器，光电探测器将其转换为电信号，之后利用电位器获得直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
本发明的技术解决方案如下：
一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
所述消直流偏置光电探测器包括光电转换元件，所述光电转换元件的负端接地，所述光电转换元件的正端分别连接第一运算放大器的负向输入端和旋钮开关的光电转换信号输入端，所述旋钮开关通过相互并联的电容网络和电阻网络连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过相互并联的第14电阻和第17电容接地，所述第一运算放大器的输出端通过第12电阻分别连接第11电阻的一端、第17电阻的一端和第二运算放大器的负向输入端，所述第二运算放大器的正向输入端通过第16电阻接地，所述第11电阻的另一端一路连接所述第二运算放大器的输出端，另一路通过第13电阻连接输出接口，所述第17电阻的另一端分别连接第19电阻的一端和第18电容的一端，所述第19电阻的另一端一路通过第19电容接地，另一路连接多圈电位器的滑动端，所述第18电容的另一端接地，所述多圈电位器的第一固定端通过第22电阻一路连接正电压源，另一路通过第20电容接地，所述多圈电位器的第二固定端通过第23电阻一路连接负电压源，另一路通过第21电容接地。
所述消直流偏置光电探测器的第一输出端连接示波器，第二输出端连接乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端通过相移电路连接信号发生器，所述乘法器的输出端通过低通滤波器分别连接所述示波器和反馈控制系统，所述反馈控制系统通过频率控制系统连接激光器，所述信号发生器通过激光器电源连接所述激光器。
所述消直流偏置光电探测器的输入端通过凸透镜连接偏振分光棱镜的检测光透射侧，所述偏振分光棱镜的检测光入射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜，所述偏振分光棱镜的抽运光入射侧依次通过1/2波片和光隔离器连接激光器，所述偏振分光棱镜的抽运光反射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜。
所述激光器发出的激光经过光隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜，通过旋转1/2波片角度进行光强度调节。
所述原子气室为铷原子气室，所述原子气室前设置的凹透镜、凸透镜，组合成为扩束和准直光路。
所述1/4波片和偏振分光棱镜用于筛选以分隔检测光和反射泵浦光。
所述激光器通过激光器控制器进行激光的频率调制。
所述反馈控制系统为比例积分PI反馈控制系统，所述光电探测器采集到的信号通过相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到PI反馈控制系统，PI反馈控制系统控制频率控制模块完成稳频操作，所述相敏运算电路通过乘法器、相移电路、信号发生器和低通滤波器组成。
本发明的技术效果如下：本发明一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，具有低噪声、高增益、增益可调的特性，通过激光器发出激光作为需要稳频系统的光源，接着激光经过铷原子饱和吸收光路后携带原子谱线信息进入低噪声、高增益、增益可调的消直流偏置光电探测器，光电探测器进行信号的直流偏置消除后输出信号，提后续的信号处理环节。之后通过对信号调制、解调、滤波等操作得到有效误差信号，将误差信号输入激光器反馈控制系统进行稳频控制。所述光电探测器饱和吸收稳频系统具有结构简单、噪声低、灵敏度高、稳频效果好等优点，在微弱磁场测量、量子科学等研究中具有广阔的应用前景。
本发明一种低噪声、高增益、增益可调的消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，通过光电探测器的设置来消除信号直流偏置。光路发出的探测信号光进入光电探测器接收后转换为电信号，之后利用电位器获得的直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除光谱信号中直流偏置成分的光电探测器设置。同时系统提供可调节信号增益，实现饱和吸收稳频系统的稳频精度、稳频灵敏度调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明方案消除探测光信号的直流偏置可以减少信号背景噪声的影响，从而提高信噪比，提高谱线测量的精确性。(2)本发明方案通过降低背景噪声对信号的干扰，可以在更短时间内积累足够的信号量进行测量，从而缩短测量时间。(3)本发明方案消除探测光信号的直流偏置可以提高探测的灵敏度，提高稳频效果。(4)本发明方案操作简单，易于验证。
附图说明
图1是实施本发明一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统结构示意图。
图2是图1中消直流偏置光电探测器结构示意图。
附图标记说明如下：1-铷原子饱和吸收光路；2-反射镜；3-1/4波片；4-铷原子气室；5-凸透镜；6-凹透镜；7-偏振分光棱镜；8-1/2波片；9-光隔离器；10-消直流偏置光电探测器；11-示波器；12-乘法器；13-相移电路；14-信号发生器；15-低通滤波器；16-反馈控制系统(例如PI反馈控制系统，其中PI是比例积分)；17-频率控制系统；18-激光器；19-激光器电源。PD1-光电转换元件；C1～C10-第1电容至第10电容(组成共第一输出端OUTA的电容网络，C1～C10的自由端对应电气连接网络标号1～10)；R1～R10-第1电阻至第10电阻(组成共第一输出端OUTA的电阻网络，R1～R10的自由端对应电气连接网络标号1～10)；C17～C21-第17电容至第21电容；R11～R14-第11电阻至第14电阻；R16～R17-第16电阻至第17电阻；R19-第19电阻；R22～R24-第22电阻至第24电阻(其中R24是多圈电位器)；S1-旋钮开关(选择增益放大，其管脚编号1～10对应电气连接网络标号1～10)；U1A-第一运算放大器或一级运算放大电路；U1B-第二运算放大器或二级运算放大电路；P-输出接口(带有信号传输接口BNC，BNC，Bayonet Neill-Concelman，连接器接口P向外部输出电信号)；INA-光电转换信号输入端。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统结构示意图。图2是图1中消直流偏置光电探测器结构示意图。参考图1至图2所示，一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，包括消直流偏置光电探测器10，所述消直流偏置光电探测器10的输入端连接经过原子气室(例如铷原子气室4)的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器10将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。所述消直流偏置光电探测器10包括光电转换元件PD1，所述光电转换元件PD1的负端接地，所述光电转换元件PD1的正端分别连接第一运算放大器U1A(例如精密运算放大器)的负向输入端(-)和旋钮开关S1的光电转换信号输入端INA，所述旋钮开关S1通过相互并联的电容网络(例如第1电容C1至第10电容C10)和电阻网络(例如第1电阻R1至第10电阻R10)连接所述第一运算放大器U1A的输出端(即电容网络的共第一输出端OUTA，以及电阻网络的共第一输出端OUTA，C1～C10的自由端对应电气连接网络标号1～10，R1～R10的自由端对应电气连接网络标号1～10，S1管脚编号1～10对应电气连接网络标号1～10)，所述第一运算放大器U1A的正向输入端(+)通过相互并联的第14电阻R14和第17电容C17接地，所述第一运算放大器U1A的输出端通过第12电阻R12分别连接第11电阻R11的一端、第17电阻R17的一端和第二运算放大器U1B的负向输入端(-)，所述第二运算放大器U1B的正向输入端(+)通过第16电阻R16接地，所述第11电阻R11的另一端一路连接所述第二运算放大器U1B的输出端，另一路通过第13电阻R13连接输出接口P，所述第17电阻R17的另一端分别连接第19电阻R19的一端和第18电容C18的一端，所述第19电阻R19的另一端一路通过第19电容C19接地，另一路连接多圈电位器R24的滑动端，所述第18电容C18的另一端接地，所述多圈电位器R24的第一固定端通过第22电阻R22一路连接正电压源，另一路通过第20电容C20接地，所述多圈电位器R24的第二固定端通过第23电阻R23一路连接负电压源，另一路通过第21电容C21接地。
所述消直流偏置光电探测器10的第一输出端连接示波器11，第二输出端连接乘法器12的第一输入端，所述乘法器12的第二输入端通过相移电路13连接信号发生器14，所述乘法器12的输出端通过低通滤波器15分别连接所述示波器11和反馈控制系统16，所述反馈控制系统16通过频率控制系统17连接激光器18，所述信号发生器14通过激光器电源19连接所述激光器18。所述消直流偏置光电探测器10的输入端通过凸透镜5连接偏振分光棱镜7的检测光透射侧，所述偏振分光棱镜7的检测光入射侧依次通过凹透镜6、凸透镜5、原子气室(例如铷原子气室4)和1/4波片3连接反射镜2，所述偏振分光棱镜7的抽运光入射侧依次通过1/2波片8和光隔离器9连接激光器18，所述偏振分光棱镜7的抽运光反射侧依次通过凹透镜6、凸透镜5、原子气室(例如铷原子气室4)和1/4波片3连接反射镜2。
所述激光器18发出的激光经过光隔离器9、1/2波片8、偏振分光棱镜7，通过旋转1/2波片角度进行光强度调节。所述原子气室为铷原子气室4，所述原子气室前设置的凹透镜6、凸透镜5，组合成为扩束和准直光路。所述1/4波片3和偏振分光棱镜7用于筛选以分隔检测光和反射泵浦光。所述激光器18通过激光器控制器(即频率控制系统17)进行激光的频率调制。所述反馈控制系统16为比例积分PI反馈控制系统，所述光电探测器采集到的信号通过相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到PI反馈控制系统，PI反馈控制系统控制频率控制模块完成稳频操作，所述相敏运算电路通过乘法器12、相移电路13、信号发生器14和低通滤波器15组成。
图1中包括激光器发出激光进入饱和吸收光路，饱和吸收光路发出的探测信号光在进入光电探测器后，被光电探测器中的光电转换元件接收后转换为电信号，之后利用电路中的电位器获得的直流电压偏置，与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置功能的光电探测器设置，之后光电探测器将信号输入到示波器进行观察以及乘法运算电路进行信号处理。图2中包括外部光进入光电转换元件，光电转换元件将光信号转换为电信号后，信号进入一级运算放大电路进行放大，之后信号与直流偏置电路耦合消除信号中的直流偏置，之后信号经过二级运算放大电路，最后通过信号传输接口BNC与外部连接输出信号。
一种低噪声、高增益、增益可调的消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，包括一种可消除直流偏置的光电探测器设置。一种为光路发出的探测信号光进入光电探测器接收后转换为电信号，之后利用电位器获得直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
所述消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统使用一束激光器发出的激光进行铷原子饱和吸收光谱的泵浦和探测，激光器发出的激光先通过光隔离器后，通过1/2波片，之后被偏振分光棱镜反射，反射激光经过凹透镜和凸透镜后进入铷原子气室，起到泵浦铷原子的作用，之后激光透过铷原子气室，经过1/4波片后以垂直角度入射反射镜，经过反射镜反射后沿原光路作为检测激光再次进入铷原子气室，激光透射出铷原子气室之后分别经过凸透镜、凹透镜、偏振分光棱镜、凹透镜进入消直流偏置光电探测器中。
所述铷原子气室前设置凹透镜、凸透镜，组合成为扩束、准直光路。
参考图1所示，包括一种可消除直流偏置的光电探测器设置。一种为饱和吸收光路1所出射的探测光进入光电探测器10后被光电转换元件PD1接收并转换为电信号，利用电位器获得直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
所述光电探测器通过BNC连接器接口P向外部输出电信号，通过BNC接口连接示波器11进行信号观察，通过BNC接口连接乘法器12与13所输出的参考信号进行乘法运算。
所述光电转换元件PD1采用无偏压的光伏工作模式降低暗电流噪声的产生，光电转换元件接收光信号转换为电信号，电信号通过一级运算放大电路UIA并使用旋钮开关S1进行选择增益放大，通过电容元件Cx(x＝1,2，…10)与电阻元件Rx(x＝1,2，…10)并联降低电路自激振荡。
所述消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统使用一束激光进行铷原子饱和吸收光谱的泵浦和探测。所述激光器18发出的激光通过光隔离器9后，通过1/2波片8、偏振分光棱镜7，反射光经过凹透镜6和凸透镜5后进入铷原子气室4，起到泵浦铷原子的作用。之后透过铷原子气室4的光经过1/4波片3后以垂直角度入射反射镜2，经过反射镜2反射后沿原光路再次进入铷原子气室4作为检测激光，之后经过凸透镜5、凹透镜6、偏振分光棱镜7、凹透镜5后进入消直流偏置光电探测器10中。
所述入射激光经过光隔离器9、1/2波片8、偏振分光棱镜7，通过旋转1/2波片8的角度进行光强度调节。
所述铷原子气室4前设置凹透镜6、凸透镜5，组合成为扩束、准直光路，以获得激光直径扩大后的泵浦光束，以便与铷原子气体相互作用的区域相匹配，助于提高饱和吸收效应的测量灵敏度和精度。
所述光路1设置1/4波片3、偏振分光棱镜7用于筛选、分离检测光和反射泵浦光。有助于提高测量的精确性和可靠性，确保准确测量目标参数。
所述激光器18通过信号发生器14和激光器控制器19进行激光频率的调制。
所述光电探测器10采集到的信号通过乘法器12、相移电路13、信号发生器14、低通滤波器15组成的相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到PI反馈控制系统15，反馈系统15控制频率控制模块17完成稳频操作。
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)
1.一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。
2.根据权利要求1所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器包括光电转换元件，所述光电转换元件的负端接地，所述光电转换元件的正端分别连接第一运算放大器的负向输入端和旋钮开关的光电转换信号输入端，所述旋钮开关通过相互并联的电容网络和电阻网络连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过相互并联的第14电阻和第17电容接地，所述第一运算放大器的输出端通过第12电阻分别连接第11电阻的一端、第17电阻的一端和第二运算放大器的负向输入端，所述第二运算放大器的正向输入端通过第16电阻接地，所述第11电阻的另一端一路连接所述第二运算放大器的输出端，另一路通过第13电阻连接输出接口，所述第17电阻的另一端分别连接第19电阻的一端和第18电容的一端，所述第19电阻的另一端一路通过第19电容接地，另一路连接多圈电位器的滑动端，所述第18电容的另一端接地，所述多圈电位器的第一固定端通过第22电阻一路连接正电压源，另一路通过第20电容接地，所述多圈电位器的第二固定端通过第23电阻一路连接负电压源，另一路通过第21电容接地。
3.根据权利要求1所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器的第一输出端连接示波器，第二输出端连接乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端通过相移电路连接信号发生器，所述乘法器的输出端通过低通滤波器分别连接所述示波器和反馈控制系统，所述反馈控制系统通过频率控制系统连接激光器，所述信号发生器通过激光器电源连接所述激光器。
4.根据权利要求3所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器的输入端通过凸透镜连接偏振分光棱镜的检测光透射侧，所述偏振分光棱镜的检测光入射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜，所述偏振分光棱镜的抽运光入射侧依次通过1/2波片和光隔离器连接激光器，所述偏振分光棱镜的抽运光反射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜。
5.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述激光器发出的激光经过光隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜，通过旋转1/2波片角度进行光强度调节。
6.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述原子气室为铷原子气室，所述原子气室前设置的凹透镜、凸透镜，组合成为扩束和准直光路。
7.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述1/4波片和偏振分光棱镜用于筛选以分隔检测光和反射泵浦光。
8.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述激光器通过激光器控制器进行激光的频率调制。
9.根据权利要求3所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述反馈控制系统为比例积分PI反馈控制系统，所述光电探测器采集到的信号通过相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到PI反馈控制系统，PI反馈控制系统控制频率控制系统完成稳频操作，所述相敏运算电路通过乘法器、相移电路、信号发生器和低通滤波器组成。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311135168.9A CN117146979A (zh) | 2023-09-05 | 2023-09-05 | 一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统 |
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| CN202311135168.9A CN117146979A (zh) | 2023-09-05 | 2023-09-05 | 一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117741624A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 成都智明达电子股份有限公司 | 一种低噪声激光回波前端接收电路 |
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2023
- 2023-09-05 CN CN202311135168.9A patent/CN117146979A/zh active Pending
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| CN117741624A (zh) * | 2024-02-21 | 2024-03-22 | 成都智明达电子股份有限公司 | 一种低噪声激光回波前端接收电路 |
| CN117741624B (zh) * | 2024-02-21 | 2024-05-24 | 成都智明达电子股份有限公司 | 一种低噪声激光回波前端接收电路 |
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