CN112710615B - 一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法，该发明涉及一种利用空间光学互易性的检测***消除光路中因环境波动引起的共模误差的方法。该方法将检测激光分为传播路径及光学特性相同的两束，沿相对方向同时入射极化碱金属气室样品，检测透过的两路光强信号，经过差分处理后可将光学器件等因外界环境波动产生的共模误差消除，并得到两倍的待测旋光角信号。本发明基于互易性原理可以从整体上消除光学器件等引入的偏振波动等共模误差，显著提高***的长期稳定性，可用于原子磁强计、原子陀螺仪、光学精密测量等对微弱旋光角测量的***及装置。

Description

一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法

技术领域

本发明涉及差分检测的技术领域，具体涉及一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法，可用于原子磁强计、原子陀螺仪等仪器设备中对旋光角的精密测量。

背景技术

偏振分光棱镜差分检测方法作为高精度的旋光角测量方法，与光弹调制检测方法、法拉第调制器检测方法等相比，其体积更小，结构方便简单，因此在原子磁强计及原子陀螺仪等精密测量仪器小型化中有着重要的应用前景。但偏振分光棱镜差分检测方法缺乏调制，其更易受外界环境影响从而产生偏振误差。传统的偏振分光棱镜差分检测方法并没有消除这些偏振误差，而是都等效的叠加在了所需要测量的旋光角上。因此，光学器件受外界环境影响产生的偏振变化影响了偏振分光棱镜差分检测方法对微小转角的测量精度，这极大限制其在原子磁强计及原子自旋陀螺仪等精密测量中的应用。对于追求长期稳定性性能指标的原子自旋陀螺仪，这一问题表现得尤为突出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有偏振分光棱镜差分检测方法的不足，提出一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法。该装置通过采用两束光对射的方法，得到两路关于旋光角的信号，通过做差的方式来消除因外界环境波动影响而引入的旋光角的测量误差，实现原子磁强计、原子陀螺仪等仪器中对旋光角的精密测量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置，该装置包括准直检测激光源、光功率稳定模块、光纤分束器、第一准直器、第一起偏器、第一偏振分光棱镜、待测样品、三维线圈、1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二起偏器、第二准直器、第一光电探测器、第二光电探测器和信号采集与处理单元；其中，准直检测激光源出射的光束进入光功率稳定模块；经过稳功率后的光束由光纤分束器分成功率相等的两束光，其中，第一束依次经过第一准直器、第一起偏器、第一偏振分光棱镜、待测样品、1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器；第二束依次经过第二准直器、第二起偏器、第二偏振分光棱镜、1/2波片、待测样品、第一偏振分光棱镜、第一光电探测器；所述的第一光电探测器和第二光电探测器的输出端连接到信号采集与处理单元。

所述的第一起偏器和第二起偏器均为高消光比的格兰泰勒棱镜，其透光轴沿x轴方向；第一偏振分光棱镜的偏振轴与第一起偏器的透光轴平行；第二偏振分光棱镜的偏振轴与第二起偏器的透光轴平行；1/2波片的光轴与第一偏振分光棱镜的偏振轴方向和第二偏振分光棱镜的偏振轴方向均呈45°夹角；三维线圈对待测样品提供不同方位的磁场补偿。

利用所述的基于光学空间互易性的共模差分检测装置来消除因外界环境波动影响引起的旋光角测量误差，具体步骤如下：

步骤(1)、准直检测激光源出射的光束经过光功率稳定模块进行功率稳定控制，之后进入光纤分束器；

步骤(2)、光束经过光纤分束器后被分为两束功率相等的两束，其中，第一束经过第一准直器、第一起偏器、第一偏振分光棱镜、待测样品、1/2波片、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器，第二光电探测器放在第二偏振分光棱镜的垂直光轴方向上；第一束激光的光强大小记为I，该光束在经过待测样品后其偏振方向会发生旋转，该旋光角记为θ；第二光电探测器记录经过第二偏振分光棱镜出射的光束光强并转化为电信号，成为第一路的信号；分束后的第二束激光由于功率与第一束激光相等，其光强大小也记为I；该束光经过第二准直器、第二起偏器、第二偏振分光棱镜、1/2波片、待测样品、第一偏振分光棱镜；在第一偏振分光棱镜的垂直光轴的方向上放置第一光电探测器；第二束激光在经过待测样品后偏振方向同样会发生旋转，该旋光角与第一束光叠加的旋光角大小相等，方向相反，记为-θ，其经过第一偏振分光棱镜后被第一光电探测器记录成为第二路的信号；其中，第一路信号大小为

第二路信号大小为

步骤(3)、利用步骤(2)中得到的第一路信号和第二路信号，对两路信号做差分处理，可得到与待测旋光角θ有关的信号：

本发明与现有技术相比的优点在于：克服现有偏振分光棱镜差分检测方法无法消除偏振误差的不足，提出一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置及方法，实现了消除光路因外界环境因素影响而引入偏振误差的功能，得到了消除偏振误差后的旋光角，进而实现了原子磁强计、原子陀螺仪等仪器中对旋光角长时间、高稳定的精密测量。

附图说明

图1为本发明基于光学空间互易性的共模差分检测装置实施结构框图；

图2为本发明实施方法步骤流程图；

图中附图标记含义为：1为准直检测激光源；2为光功率稳定模块；3为光纤分束器；4为第一准直器；5为第一起偏器；6为第一偏振分光棱镜；7为待测样品；8为三维线圈；9为1/2波片；10为第二偏振分光棱镜；11为第二起偏器；12为第二准直器；13为第一光电探测器；14为第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明基于光学空间互易性的共模差分检测装置实施结构框图。由图可见，本发明基于光学空间互易性的共模差分检测装置由准直检测激光源1、光功率稳定模块2、光纤分束器3、第一准直器4、第一起偏器5、第一偏振分光棱镜6、待测样品7、三维线圈8、1/2波片9、第二偏振分光棱镜10、第二起偏器11、第二准直器12、第一光电探测器13、第二光电探测器14和信号采集与处理单元组成，其位置关系为：准直检测激光源1出射的光束进入光功率稳定模块2。经过功率稳定控制后的光束由光纤分束器3分成功率相等的两束光，其中，第一光束依次经过第一准直器4、第一起偏器5、第一偏振分光棱镜6、待测样品7、1/2波片9、第二偏振分光棱镜10、第二光电探测器14；第二光束依次经过第二准直器12、第二起偏器11、第二偏振分光棱镜10、1/2波片9、待测样品7、第一偏振分光棱镜6、第一光电探测器13；所述的第一光电探测器13和第二光电探测器14的输出端连接到信号采集与处理单元。

所述的第一起偏器5和第二起偏器11均为高消光比的格兰泰勒棱镜，其透光轴沿x轴方向；第一偏振分光棱镜6的偏振轴方向与第一起偏器5的透光轴平行；第二偏振分光棱镜10的偏振轴方向与第二起偏器11的透光轴平行；1/2波片9的光轴与第一偏振分光棱镜6的偏振轴方向和第二偏振分光棱镜10的偏振轴方向均呈45°夹角；三维线圈8对待测样品提供不同方位的磁场补偿。

本发明的最佳实施例的结构图如图1所示，其具体结构如下：所述的准直检测激光源1为波长795nm的DFB半导体激光器；所述的光功率稳定模块2是液晶噪声衰减器配合偏振分光棱镜的控制组件，形成对光路中光功率的稳定控制以避免其功率波动淹没待消除的偏振误差信号；所述的光纤分束器3为1：1光纤分束器；所述的第一准直器4和第二准直器12为Thorlabs的PAF2-A7B准直头；所述的第一起偏器5和第二起偏器11为方解石制成的格兰泰勒偏振棱镜，其消光比优于10^-5；所述的待测样品7由一定比例K、Rb碱金属原子混合物及一定气压的惰性气体²¹Ne组成；所述的三维线圈8为赫姆霍兹线圈；所述的第一光电探测器13和第二光电探测器14由光电二极管和前置放大电路构成；

利用所述的基于光学空间互易性的共模差分检测装置来消除因外界环境波动影响引起的旋光角测量误差，包括下列步骤：

步骤(1)、准直检测激光源1出射的光束经过光功率稳定模块2进行功率稳定控制，之后进入光纤分束器3；

步骤(2)、光束经过光纤分束器3分为两束功率大小相等的激光，其中，第一束经过第一准直器4、第一起偏器5、第一偏振分光棱镜6、待测样品7、1/2波片9、第二偏振分光棱镜10、第二光电探测器14，第二光电探测器14放在第二偏振分光棱镜10垂直光轴的方向上；第一束激光的光强大小记为I，该光束在经过待测样品7后其偏振方向会发生旋转，该旋光角记为θ；第二光电探测器14记录经过第二偏振分光棱镜10出射的光束光强并转化为电信号，成为第一路的信号；分束后的第二束激光由于功率与第一束激光相等，其光强大小也记为I；该束光经过第二准直器12、第二起偏器11、第二偏振分光棱镜10、1/2波片9、待测样品7、第一偏振分光棱镜6；在第一偏振分光棱镜6的垂直光轴的方向上放置第一光电探测器13；第二束激光在经过待测样品7后偏振方向同样会发生旋转，该旋光角与第一束光叠加的旋光角大小相等，方向相反，记为-θ，经过第一偏振分光棱镜6后被第一光电探测器13记录成为第二路的信号；其中，第一路信号大小为

第二路信号大小为

步骤(3)、利用步骤(2)中得到的第一路信号和第二路信号，对两路信号做差分处理，可得到与旋光角θ有关的信号：

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。

Claims (3)

1.一种基于光学空间互易性的共模差分检测装置，其特征在于：该装置包括准直检测激光源(1)、光功率稳定模块(2)、光纤分束器(3)、第一准直器(4)、第一起偏器(5)、第一偏振分光棱镜(6)、待测样品(7)、三维线圈(8)、1/2波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第二起偏器(11)、第二准直器(12)、第一光电探测器(13)、第二光电探测器(14)和信号采集与处理单元；其中，准直检测激光源(1)出射的光束进入光功率稳定模块(2)，经过稳光强后的光束由光纤分束器(3)分成功率相同的两束光，其中，第一光束依次经过第一准直器(4)、第一起偏器(5)、第一偏振分光棱镜(6)、待测样品(7)、1/2波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第二光电探测器(14)；第二光束依次经过第二准直器(12)、第二起偏器(11)、第二偏振分光棱镜(10)、1/2波片(9)、待测样品(7)、第一偏振分光棱镜(6)、第一光电探测器(13)；所述的第一光电探测器(13)和第二光电探测器(14)的输出端连接到信号采集与处理单元。

2.根据权利要求1所述的基于光学空间互易性的共模差分检测装置，其特征在于：第一起偏器(5)的透光轴与第一偏振分光棱镜(6)的偏振轴平行；第二起偏器(11)的透光轴与第二偏振分光棱镜(10)的偏振轴平行；1/2波片(9)的光轴与第一偏振分光棱镜(6)的偏振轴方向和第二偏振分光棱镜(10)的偏振轴方向均呈45°夹角；待测样品(7)为球型碱金属气室；三维线圈(8)对待测样品(7)提供不同方位的磁场补偿。

3.一种基于光学空间互易性的共模差分检测方法，利用权利要求1所述的基于光学空间互易性的共模差分检测装置，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤(1)、准直检测激光源(1)出射的光束经过光功率稳定模块(2)进行功率稳定控制，之后进入光纤分束器(3)；

步骤(2)、光束经过光纤分束器(3)后被分为功率相等的两束，其中第一束经过第一准直器(4)、第一起偏器(5)、第一偏振分光棱镜(6)、待测样品(7)、1/2波片(9)、第二偏振分光棱镜(10)、第二光电探测器(14)，第二光电探测器(14)放在第二偏振分光棱镜(10)的垂直光轴方向上；第一束激光的光强大小记为I，该光束在经过待测样品(7)后其偏振方向会发生旋转，该旋光角记为θ；第二光电探测器(14)记录经过第二偏振分光棱镜(10)出射的光束光强并转化为电信号，成为第一路的信号；分束后的第二束激光由于功率与第一束激光相等，其光强大小也记为I；该束光经过第二准直器(12)、第二起偏器(11)、第二偏振分光棱镜(10)、1/2波片(9)、待测样品(7)、第一偏振分光棱镜(6)；在第一偏振分光棱镜(6)的垂直光轴方向上放置第一光电探测器(13)；第二束激光在经过待测样品(7)后偏振方向同样会发生旋转，该旋光角与第一束光叠加的旋光角大小相等，方向相反，记为-θ，其经过第一偏振分光棱镜(6)后被第一光电探测器(13)记录成为第二路的信号；其中，第一路信号大小为

第二路信号大小为

步骤(3)、利用步骤(2)中得到的第一路信号和第二路信号，对两路信号做差分处理，可得到与待测旋光角θ有关的信号：

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