CN117968672A - 一种serf原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统 - Google Patents
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Abstract
一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，利用改变锥形放大器TA注入电流时不影响激光偏振和激光频率的特性，通过直接抽调锥形放大器TA的注入电流，抑制大功率抽运激光功率，通过光路和电控单元实现对激光功率的控制，从而减小抽运激光光强波动引起的SERF原子自旋惯性测量仪表漂移。该系统可以有效抑制偏振耦合分光误差，并实现激光功率与频率的解耦控制，减少光学器件，同时该系统的响应速度为μs量级，抗干扰能力更强。
Description
技术领域
本发明涉及抽运激光功率稳定技术领域，特别是一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统。
背景技术
惯性测量在基础物理学研究和运载体导航领域有着广泛的应用。基于惯性测量的导航技术不同于其他导航技术，它具有不依赖任何外部信息、导航信息全面、实时、连续和自主性强等优点，是军事战略战术武器系统中不可或缺的一部分。
随着量子精密操控技术的发展，原子式的惯性测量仪表已经逐渐成为陀螺技术领域的一个新的发展方向。
抽运激光功率会影响原子自旋极化率及其稳定性，同时还会产生纵向光频移，从而影响标度因数稳定性和零偏稳定性。为了达到良好的抽运效果，需要较大的抽运激光功率，但是抽运激光经锥形放大器放大和光纤后，激光功率稳定性明显变差。为满足原子惯性测量仪表的精度要求，必须对SREF原子自旋惯性测量仪表的抽运激光光强进行稳定控制(SREF，Spin Exchange Relaxation Free,无自旋交换弛豫)。
激光光强稳定控制方法有两类：第一类是通过控制激光器内部激光二极管的注入电流和温度来实现激光光强的稳定控制，但是激光器在使用时要保证频率的稳定，这是通过对激光器内部调制实现的，此时无法再通过内部调制的方法保证激光器的功率稳定性。第二类是利用外部光学调制器件对激光进行调制，但是光学调制器件的响应速度较慢，在强干扰情况下对激光功率稳定控制的效果不佳，且容易引入新的误差，对于大光斑大功率的抽运激光来说抑制效果有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：为克服现有技术的不足，本发明提出一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，利用改变锥形放大器TA注入电流时不影响激光偏振和激光频率的特性，通过直接抽调锥形放大器TA的注入电流，抑制大功率抽运激光功率，通过光路和电控单元实现对激光功率的控制，从而减小抽运激光光强波动引起的SERF原子自旋惯性测量仪表漂移。该系统可以有效抑制偏振耦合分光误差，并实现激光功率与频率的解耦控制，减少光学器件，同时该系统的响应速度为μs量级，抗干扰能力更强。
本发明的技术解决方案如下：
一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，包括位于抽运光路上的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的透射侧通过λ/4波片连接碱金属气室的抽运光输入侧，所述偏振分光棱镜的反射侧依次通过功率衰减片和光电探测器连接电控单元的输入侧，所述电控单元的输出侧连接位于种子光激光器与所述偏振分光棱镜之间的锥形放大器控制端以通过直接抽调锥形放大器的注入电流来抑制大功率抽运激光功率，从而减小抽运激光光强波动引起的SERF原子自旋惯性测量仪表漂移。
所述种子光激光器依次通过第一光隔离器、第一反射镜和第二反射镜连接所述锥形放大器，所述锥形放大器连接第二光隔离器，所述第二光隔离器通过光纤连接光纤准直器，所述光纤准直器依次通过第一λ/2波片、格兰棱镜和第二λ/2波片连接所述偏振分光棱镜的输入侧。
所述格兰棱镜选用消偏振分光棱镜NPBS，或偏振分光棱镜PBS，或分光玻璃片，以利用其起偏消偏分光特性对光纤输出激光重新起偏，从而保证靠近所述碱金属气室的偏振分光棱镜实现分光比固定。
所述种子激光器产生的激光光束波长为770nm或795nm，功率为15mW，经所述锥形放大器放大后经光纤输出300mW的抽运激光光束。
所述电控单元包括连接所述光电探测器的跨组放大器，所述跨组放大器依次通过前置信号处理电路和模数转换器ADC连接单片机，所述单片机通过数模转换器DAC连接所述锥形放大器的控制端，所述单片机连接上位机。
所述光电探测器所探测到的来自所述偏振分光棱镜的分光反馈信号经跨组放大器和前置信号处理电路后通过模数转换器ADC反馈到单片机中，在所述单片机中经过PID算法产生PI控制率，所述数模转换器DAC根据所述PI控制率输出直流控制信号控制所述锥形放大器的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
所述单片机中包括以下PI算法差分方程：
δu(t)＝u(t)-u(t-1)＝Kpe(t)+KiM
M＝e(t)+e(t-1)+e(t-2)+.....
其中u(t)是当前时间t采样后PI控制算法计算出的输出量，该输出量是作用于所述锥形放大器的控制信号，u(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后PI控制算法计算出的输出量，e(t)为当前时间t采样后的系统电流误差值，e(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后的系统电流误差值，e(t-2)是前第二次时间“t-2”采样后的系统电流误差值，Kp为比例单元系数，Ki为积分单元系数，M为积分单元累加值。
所述种子光激光器采用DBR激光器。
本发明的技术效果如下：本发明一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，利用光电探测器探测偏振分光棱镜从抽运激光主路分出的激光，并将探测信号放大后通过ADC数模转换器反馈到数字控制器中经过PID算法产PI控制率，通过DAC数模转换器输出直流控制信号控制锥形放大器(TA)的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
本发明与原有技术相比的优点在于：由于改变锥形放大器(TA)注入电流时理论上不影响激光偏振和激光频率，因此可以有效抑制偏振耦合分光误差，并实现激光功率与频率的解耦控制，减少光学器件，简化光路；且TA(锥形放大器)的响应速度可以达到μs量级，因此基于TA的大功率抽运激光光强稳定控制系统的抗干扰能力更强，同时电控系统采用数字电路，具有精度高，参数易于调节等优点。
附图说明
图1是实施本发明一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统结构示意图。
图2是图1中电控单元结构示意图。图2中包括连接光电探测器16的跨组放大器，所述跨组放大器依次通过前置信号处理电路和模数转换器ADC连接单片机，所述单片机通过数模转换器DAC连接锥形放大器，所述单片机连接上位机。图2中光电探测器探测从抽运激光主路分出的激光，经跨组放大器和前置信号处理电路后通过模数转换器ADC反馈到单片机中，经过PID算法产生PI控制率(PID，proportional-integral-derivative比例-积分-微分，PI，比例-积分)，通过数模转换器DAC，输出直流控制信号控制锥形放大器TA的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
附图标记说明如下：1-种子光激光器；2-第一光隔离器；3-第一反射镜；4-第二反射镜；5-锥形放大器(TA，TaperedAmplifier)；6-第二光隔离器；7-光纤；8-光纤准直器；9-第一λ/2波片；10-格兰棱镜；11-第二λ/2波片；12-偏振分光棱镜(PBS，Polarizing BeamSplitter)；13-λ/4波片；14-碱金属气室；15-功率衰减片；16-光电探测器(PD，photodetector)；17-电控单元。
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SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统结构示意图。图2是图1中电控单元结构示意图。参考图1至图2所示，一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，包括位于抽运光路上的偏振分光棱镜12，所述偏振分光棱镜12的透射侧通过λ/4波片13连接碱金属气室14的抽运光输入侧，所述偏振分光棱镜12的反射侧依次通过功率衰减片15和光电探测器16连接电控单元17的输入侧，所述电控单元17的输出侧连接位于种子光激光器1与所述偏振分光棱镜12之间的锥形放大器5控制端以通过直接抽调锥形放大器5的注入电流来抑制大功率抽运激光功率，从而减小抽运激光光强波动引起的SERF原子自旋惯性测量仪表漂移。
所述种子光激光器1依次通过第一光隔离器2、第一反射镜3和第二反射镜4连接所述锥形放大器5，所述锥形放大器5连接第二光隔离器6，所述第二光隔离器6通过光纤7连接光纤准直器8，所述光纤准直器8依次通过第一λ/2波片9、格兰棱镜10和第二λ/2波片11连接所述偏振分光棱镜12的输入侧。
所述格兰棱镜10选用消偏振分光棱镜NPBS，或偏振分光棱镜PBS，或分光玻璃片，以利用其起偏消偏分光特性对光纤输出激光重新起偏，从而保证靠近所述碱金属气室14的偏振分光棱镜12实现分光比固定。所述种子激光器1产生的激光光束波长为770nm或795nm，功率为15mW，经所述锥形放大器放大后经光纤输出300mW的抽运激光光束。
所述电控单元17包括连接所述光电探测器16的跨组放大器，所述跨组放大器依次通过前置信号处理电路和模数转换器ADC连接单片机，所述单片机通过数模转换器DAC连接所述锥形放大器5的控制端，所述单片机连接上位机。所述光电探测器16所探测到的来自所述偏振分光棱镜12的分光反馈信号经跨组放大器和前置信号处理电路后通过模数转换器ADC反馈到单片机中，在所述单片机中经过PID算法产生PI控制率，所述数模转换器DAC根据所述PI控制率输出直流控制信号控制所述锥形放大器5的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
所述单片机中包括以下PI算法差分方程：
δu(t)＝u(t)-u(t-1)＝Kpe(t)+KiM
M＝e(t)+e(t-1)+e(t-2)+.....
其中u(t)是当前时间t采样后PI控制算法计算出的输出量，该输出量是作用于所述锥形放大器的控制信号，u(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后PI控制算法计算出的输出量，e(t)为当前时间t采样后的系统电流误差值，e(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后的系统电流误差值，e(t-2)是前第二次时间“t-2”采样后的系统电流误差值，Kp为比例单元系数，Ki为积分单元系数，M为积分单元累加值。
所述种子光激光器1采用DBR激光器。
一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，包括：由种子光激光器(1)、第一光隔离器(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、TA(锥形放大器)(5)、第二光隔离器(6)、光纤(7)、光纤准直器(8)、第一λ/2波片(9)、格兰棱镜(10)、第二λ/2波片(11)、PBS(偏振分光棱镜)(12)、λ/4波片(13)、功率衰减片(15)、光电探测器(16)、电控单元(17)构成抽运激光光强稳定控制模块；种子激光器(1)产生的激光光束经第一光隔离器(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、TA(锥形放大器)(5)、第二光隔离器(6)、光纤(7)、光纤准直器(8)、第一λ/2波片(9)、格兰棱镜(10)、第二λ/2波片(11)、PBS(偏振分光棱镜)(12)被分成两束，第一束经λ/4波片(13)变为圆偏光进入碱金属气室(14)，用于激化碱金属气室中的碱金属原子及惰性气体原子，另一束经功率衰减片(15)进入光电探测器(16)转换为电信号作为抽运激光主路激光光束的反馈信号反馈至电控单元，经信号前置处理电路进入ADC(模数转换器)模块，ADC(模数转换器)模块将模拟信号转换成数字信号进入单片机，经过PI运算，输出控制信号驱动DAC(数模转换器)模块产生模拟控制信号，对锥形放大器的注入电流进行调节；数字隔离器可提高系统稳定性，基准电压源为ADC(模数转换器)模块、DA(数模转换器)模块提供高精度的电压基准，数字部分和模拟部分分开供电。电控单元中通过PI控制器对反馈信号进行处理，通过调节TA(锥形放大器)的注入电流实现抽运激光光强的稳定控制。
所述种子光激光器(1)采用DBR激光器(DBR，Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射)。
格兰-泰勒棱镜选用可以选用NPBS(Non-polarizing Beam splitter，消偏振分光棱镜)、PBS(polarizing Beam splitter，偏振分光棱镜)、分光玻璃片等其他具有起偏消偏分光特性的器件代替，对光纤输出激光重新起偏，保证偏振分光棱镜的分光比固定。
电源模块由稳压器、电阻、电容等组成，产生±15V、±5V电压为模拟部分供电，+5V、+3.3V的电压为数字部分供电。
所述单片机和ADC(模数转换器)模块、DAC(数模转换器)模块之间采用隔离器模块。
所述ADC(模数转换器)模块采用16位ADC，前置信号处理电路由电压跟随器和一级RC低通滤波器组成，串联基准电压源为ADC提供电压基准。
所述DAC(数模转换器)模块采用16位DAC，串联基准电压源为DAC提供电压基准；模拟信号输入和输出接口均采用SMA接口(SMA，SubMiniature version A)。
利用PI控制系统的设计，对进入气室前的激光功率进行采样，经PD后转换为相应的电压信号，将采样信号与设定值进行比较后，通过PI算法对系统输出数据进行微调来提升TA的注入电流，实现大功率抽运激光稳功率算法的程序设计。以激光器正常工作时的输入信号作为参考信号r(t)，功率采样电路获得采样信号并与参考信号的相比较，其差值作为控制偏差信号e(t)，控制偏差信号e(t)经过PI算法进行数值处理后得到控制信号u(t)，控制信号u(t)则作为驱动电压用于调整TA(锥形放大器)的注入电流。将上述工作过程写成PI算法差分方程形式：
δu(t)＝u(t)-u(t-1)＝Kpe(t)+KiM
M＝e(t)+e(t-1)+e(t-2)+.....
其中u(t)为t时间采样后PI控制算法计算出的输出量，e(t)为t时间采样后的系统电流误差值，Kp为比例单元系数，Ki为积分单元系数，M为积分单元累加值。
经过PI运算，输出控制信号驱动DAC(数模转换器)模块产生模拟控制信号，通过调节TA注入电流对大功率抽运激光功率进行稳定控制，实现对大功率输出光功率的稳定。
TA(锥形放大器)所产生的控制信号幅度为0～5V的直流信号，通过控制直流电压的幅度控制TA(锥形放大器)的注入电流。
改变TA(锥形放大器)注入电流时只影响输出的光功率而不影响激光偏振和激光的频率，从而实现光功率的稳定控制。
本发明的原理是：利用光电探测器探测偏振分光棱镜从抽运激光主路分出的激光，并将探测信号放大后通过ADC数模转换器反馈到数字控制器中经过PID算法产PI控制率，通过DAC数模转换器输出直流控制信号控制锥形放大器(TA)的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，包括基于TA(锥形放大器)的大功率抽运激光功率稳定光路和电控单元。光路部分包括TA光源、λ/2波片、GT(格兰泰勒棱镜)、功率衰减片、偏振分光棱镜PBS、PD(光电探测器)，电控单元包括电源模块、单片机模块、采集模块、数字隔离器模块、ADC(模数转换器)模块、DAC(数模转换器)模块。采样进入气室的抽运光功率，利用电控单元进行负反馈控制，通过调节TA注入电流对大功率抽运激光功率进行稳定控制，实现对大功率输出光功率的稳定。本发明可以改善小型原子惯性测量仪表抽运激光经TA放大和光纤后，激光功率波动大的问题，可有效提高大功率抽运激光稳定性。
本发明的具体实施结构如图1和图2所示，本发明涉及一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，包括基于TA(锥形放大器)的激光功率稳定光路和负反馈电控单元。
其中：
种子激光器1产生770nm，15mW功率的激光光束，经TA(锥形放大器)放大后经光纤输出300mW的抽运激光光束。
第一λ/2波片9和第二λ/2波片11改变光路分光比。
格兰棱镜10对光纤输出激光重新起偏。
λ/4波片13将线偏振光变为圆偏振光。
功率衰减片15对激光功率进行衰减反馈。
光电探测器16将光信号转换为电信号。
负反馈电控模块负责与ADC(模数转换器)模块通信读取光强信息，执行控制程序产生合适的驱动电压信号，并与DAC(数模转换器)模块通信使之产生幅值受控的直流电压信号。
数字隔离器模块用于抑制共模噪声，隔离通信数据。
PD(光电探测器)采集的信号经过一级电压跟随器缓冲并经过一级RC低通滤波，送入ADC(数模转换器)模块做模数转换。
DAC(数模转换器)模块与单片机通信产生模拟输出信号。
种子激光器(1)产生795nm，15mW的激光光束。
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 (8)
1.一种SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，包括位于抽运光路上的偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜的透射侧通过λ/4波片连接碱金属气室的抽运光输入侧，所述偏振分光棱镜的反射侧依次通过功率衰减片和光电探测器连接电控单元的输入侧，所述电控单元的输出侧连接位于种子光激光器与所述偏振分光棱镜之间的锥形放大器控制端以通过直接抽调锥形放大器的注入电流来抑制大功率抽运激光功率，从而减小抽运激光光强波动引起的SERF原子自旋惯性测量仪表漂移。
2.根据权利要求1所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述种子光激光器依次通过第一光隔离器、第一反射镜和第二反射镜连接所述锥形放大器，所述锥形放大器连接第二光隔离器，所述第二光隔离器通过光纤连接光纤准直器，所述光纤准直器依次通过第一λ/2波片、格兰棱镜和第二λ/2波片连接所述分光装置的输入侧。
3.根据权利要求2所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述格兰棱镜选用消偏振分光棱镜NPBS，或偏振分光棱镜PBS，或分光玻璃片，以利用其起偏消偏分光特性对光纤输出激光重新起偏，从而保证靠近所述碱金属气室的偏振分光棱镜实现分光比固定。
4.根据权利要求1所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述种子激光器产生的激光光束波长为770nm或795nm，功率为15mW，经所述锥形放大器放大后经光纤输出300mW的抽运激光光束。
5.根据权利要求1所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述电控单元包括连接所述光电探测器的跨组放大器，所述跨组放大器依次通过前置信号处理电路和模数转换器ADC连接单片机，所述单片机通过数模转换器DAC连接所述锥形放大器的控制端，所述单片机连接上位机。
6.根据权利要求5所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述光电探测器所探测到的来自所述偏振分光棱镜的分光反馈信号经跨组放大器和前置信号处理电路后通过模数转换器ADC反馈到单片机中，在所述单片机中经过PID算法产生PI控制率，所述数模转换器DAC根据所述PI控制率输出直流控制信号控制所述锥形放大器的注入电流，进而实现对抽运激光光强的稳定控制。
7.根据权利要求6所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述单片机中包括以下PI算法差分方程：
δu(t)＝u(t)-u(t-1)＝Kpe(t)+KiM
M＝e(e)+e(t-1)+e(t-2)+.....
其中u(t)是当前时间t采样后PI控制算法计算出的输出量，该输出量是作用于所述锥形放大器的控制信号，u(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后PI控制算法计算出的输出量，e(t)为当前时间t采样后的系统电流误差值，e(t-1)是前第一次时间“t-1”采样后的系统电流误差值，e(t-2)是前第二次时间“t-2”采样后的系统电流误差值，Kp为比例单元系数，Ki为积分单元系数，M为积分单元累加值。
8.根据权利要求1所述的SERF原子自旋惯性测量仪表的抽运功率稳定系统，其特征在于，所述种子光激光器采用DBR激光器。
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