一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提出了一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，該檢測裝置包括了檢測激光器、起偏器、堿金屬氣室、半波片、聲光調制器、光闌、偏振分光棱鏡、兩個光電探測器、鎖相放大器和函數發生器。與現有技術相比，本發明通過在差分偏振檢測的基礎上對檢測光信號施加聲光調制，發揮了聲光調制器體積小、溫度效應和應力效應小等優勢，具有較高的靈敏度和較好的穩定性，實現了在高噪聲背景下檢出、放大低頻信號，有效地提高系統測量精度和抗干擾能力，可服務于未來超高靈敏原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計的小型化和集成化。
【專利說明】
一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，屬于光電檢測技術、微弱信號提取技術領域。
【背景技術】
[0002]在無自旋交換弛豫(Spin-Exchange Relaxat1n Free，SERF)原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計中，通過光、熱、磁的綜合操控，能夠實現原子自旋的SERF態，在外界角速率或磁場輸入下會發生原子自旋的進動。原子自旋攜帶角速率或磁場信息后，可以通過線偏振光與原子自旋進動的相互作用提取上述信息，從而實現對角速率或磁場的測量。目前，原子自旋進動檢測通常采用線偏振光的偏光檢測法，包括差分偏振法、法拉第調制法和光彈調制法等。
[0003]差分偏振法的輸出結果與檢測激光的初始光強無關，從而隔離了檢測激光光強波動對檢測輸出的影響，該檢測方法具有結構簡單、易于實現的優點。然而，由于缺乏調制，低頻響應較差。使用法拉第調制器或光彈調制器可以將待測的低頻角信號調制成高頻信號，具有較高的測角靈敏度。但是法拉第調制法是利用線圈產生可變磁場，輸出的調制信號包含了初始光強和調制幅度這些標度因數，不穩定的標度因數將直接影響系統的檢測精度，需采用磁屏蔽和溫控閉環反饋。光彈調制法受環境溫度和應力影響較大，所需機械結構和控制設備復雜。不僅如此，法拉第調制器和光彈調制器的尺寸相較于聲光調制器偏大，不利于實現原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計的進一步小型化和集成化。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是:提出一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置。通過在差分偏振檢測的基礎上施加聲光調制，在高噪聲背景下將低頻信號檢出、放大，有效地提高系統測量精度和抗干擾能力，具有體積小、溫度效應和應力效應小，適用于原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計的小型化和集成化等優點。
[0005]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，該檢測裝置包括:檢測激光器、起偏器、堿金屬氣室、半波片、聲光調制器、光闌、偏振分光棱鏡、兩個光電探測器、鎖相放大器和函數發生器，該檢測裝置工作時，由檢測激光器發出的檢測光經起偏器轉化為線偏振光，進入堿金屬氣室，接著，檢測激光通過半波片發生偏振旋轉，在原子自旋信號產生之前，調節半波片使兩個光電探測器的輸出光強相同，函數發生器產生驅動電壓信號，分別輸入聲光調制器和鎖相放大器，檢測激光進入聲光調制器后，將一級衍射光作為輸出，利用光闌將其它光束遮攔，調制光進入偏振分光棱鏡，該偏振分光棱鏡的光軸與起偏器的光軸交角為45度，該偏振分光棱鏡反射、透射的光強分別被兩個光電探測器探測并得到差分信號，鎖相放大器對差分信號和作用于聲光調制器的驅動信號進行混頻和濾波，得到包含光旋角的輸出信息。
[0006]其中，所述的驅動電壓信號為頻率在200Hz至IMHz范圍內的方波信號。
[0007]其中，在偏振差分檢測光路前添加聲光調制器，通過對進入偏振分光棱鏡的檢測光信號提前進行聲光調制，在高頻噪聲背景下檢出、放大低頻信號，有效地提高系統測量精度和抗干擾能力。
[0008]其中，所述的聲光調制器在該檢測裝置中起到一個頻率可調的高頻通斷開關的作用。
[0009]本發明的原理在于:
[0010]一種基于聲光調制和差分偏振檢測的原子自旋進動檢測系統，包括檢測激光器、起偏器、堿金屬氣室、半波片、聲光調制器、光闌、偏振分光棱鏡、兩個光電探測器、鎖相放大器和函數發生器，其中:檢測激光器產生原始檢測激光送至起偏器，轉化為線偏振光進入堿金屬氣室。線偏振光能夠分解成左旋圓偏振光與右旋圓偏振光。當線偏振光透過堿金屬氣室后，由于左右旋圓偏振光在堿金屬氣室內部的折射率不同，出射的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的相位將發生改變，導致合成的線偏振光的線偏振面相對于入射前具有一個角度的改變，即檢測光旋角。接著，檢測激光經半波片發生偏振旋轉。在產生原子自旋信號之前，調節半波片使兩個光電探測器的輸出光強相同。函數發生器產生驅動電壓信號，分別輸入聲光調制器和鎖相放大器。在驅動信號的作用下，從聲光調制器出射的衍射光強度隨之發生相應變化。此時聲光調制器起到了高頻開關的作用，通過快速通斷光路將檢測信號調制成高頻信號。隨后，將一級衍射光作為輸出，利用光闌將其它光束遮攔。調制光進入偏振分光棱鏡，該棱鏡的光軸與起偏器的光軸交角為45°，該棱鏡反射、透射的光強分別被兩個光電探測器探測并得到差分信號。鎖相放大器對差分信號和作用于聲光調制器的驅動信號進行混頻和濾波，得到包含光旋角的輸出信息。
[0011]本發明與現有技術相比的優點在于:
[0012]1.本發明通過對進入偏振分光棱鏡的檢測光信號提前進行聲光調制，將待測的低頻角信號調制成高頻信號，實現了在高噪聲背景下檢出、放大低頻信號，有效地提高了系統測量精度和抗干擾能力。
[0013]2.在常用的信號調制器中，光彈調制器的體積約為1000立方厘米，法拉第調制器約為2500立方厘米，而聲光調制器約為60立方厘米。顯然，聲光調制器的體積遠小于光彈調制器和法拉第調制器，尤其適用于原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計的小型化和集成化。
[0014]3.光彈調制器中的壓電驅動器和法拉第調制器中的調制線圈容易受到外界環境的影響，外界磁場、溫度或應力的變化會引起其調制角度的波動，不穩定的標度因數將直接影響系統的檢測精度，從而降低原子自旋陀螺儀和原子自旋磁強計的測量精度。與之相比，聲光調制晶體對外界環境的變化不敏感，即對工作環境要求更寬松，有利于提高檢測系統的穩定性和信噪比。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的光路結構圖。
[0016]圖中附圖標記含義為:1-檢測激光器，2-起偏器，3-堿金屬氣室，4-半波片，5-聲光調制器，6-光闌，7-偏振分光棱鏡，8-光電探測器，9-鎖相放大器，I O-函數發生器。
【具體實施方式】
[0017]本發明提出一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，通過對進入偏振分光棱鏡的檢測光信號提前進行聲光調制，可以在高噪聲背景下檢出、放大低頻信號。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
[0018]如圖1所示為本發明的具體光路結構圖。檢測系統包括了檢測激光器1、起偏器2、堿金屬氣室3、半波片4、聲光調制器5、光闌6、偏振分光棱鏡7、兩個光電探測器8、鎖相放大器9和函數發生器10。工作時，檢測激光器I產生原始檢測激光送至起偏器2，轉化為線偏振光，進入堿金屬氣室3。線偏振光能夠分解成左旋圓偏振光與右旋圓偏振光。當線偏振光透過堿金屬氣室3后，由左右旋圓偏振光在堿金屬氣室內部的折射率不同，出射的左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的相位將發生改變，導致合成的線偏振光的線偏振面相對于入射前具有一個角度的改變，即檢測光旋角。接著，檢測激光進入半波片4發生偏振旋轉。在產生原子自旋信號之前，調節半波片4使兩個光電探測器8的輸出光強相同。函數發生器10產生驅動電壓信號，分別輸入聲光調制器5和鎖相放大器9。在驅動信號的作用下，從聲光調制器5出射的衍射光強度隨之發生相應變化。此時聲光調制器起到高頻開關的作用，通過快速通斷光路將檢測信號調制成高頻信號。隨后，將一級衍射光作為輸出，利用光闌6將其它光束遮攔。調制光進入偏振分光棱鏡7，該棱鏡7的光軸與起偏器2的光軸交角為45°，該棱鏡7反射、透射的光強分別被兩個光電探測器8探測并得到差分信號。鎖相放大器9對差分信號和作用于聲光調制器5的驅動信號進行混頻和濾波，得到包含光旋角的輸出信息。
[0019]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1.一種基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，其特征在于:該檢測裝置包括:檢測激光器(1)、起偏器(2)、堿金屬氣室(3)、半波片(4)、聲光調制器(5)、光闌(6)、偏振分光棱鏡(7)、兩個光電探測器(8)、鎖相放大器(9)和函數發生器(10)，該檢測裝置工作時，由檢測激光器(I)發出的檢測光經起偏器轉化為線偏振光，進入堿金屬氣室(3)，接著，檢測激光通過半波片(4)發生偏振旋轉，在原子自旋信號產生之前，調節半波片(4)使兩個光電探測器(8)的輸出光強相同，函數發生器(10)產生驅動電壓信號，分別輸入聲光調制器(5)和鎖相放大器(9)，檢測激光進入聲光調制器(5)后，將一級衍射光作為輸出，利用光闌(6)將其它光束遮攔，調制光進入偏振分光棱鏡(7)，該偏振分光棱鏡(7)的光軸與起偏器(2)的光軸交角為45度，該偏振分光棱鏡(7)反射、透射的光強分別被兩個光電探測器(8)探測并得到差分信號，鎖相放大器(9)對差分信號和作用于聲光調制器(5)的驅動信號進行混頻和濾波，得到包含光旋角的輸出信息。2.根據權利要求1所述的基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，其特征在于:所述的驅動電壓信號為頻率在200Hz至IMHz的方波信號。3.根據權利要求1所述的基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，其特征在于:在偏振差分檢測光路前添加聲光調制器，通過對進入偏振分光棱鏡的檢測光信號提前進行聲光調制，在高頻噪聲背景下檢出、放大低頻信號，有效地提高系統測量精度和抗干擾能力。4.根據權利要求1所述的基于聲光調制的原子自旋進動差分偏振檢測裝置，其特征在于:所述的聲光調制器在該檢測裝置中起到一個頻率可調的高頻通斷開關的作用。
【文檔編號】G01J4/00GK106017689SQ201610543229
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】丁銘, 張紅, 鄒升, 姚涵, 趙俊鵬
【申請人】北京航空航天大學