[發明專利]基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 201811339405.2
• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號: CN109631959B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 房建成;劉學靜;丁銘;李陽;張景鑫
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗;鄧治平

1.一種基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置，其特征在于，包括：寬譜光源(1)、光纖環形器(2)、光纖起偏器(3)、光纖起偏器和光纖相位調制器的尾纖45°熔點即45°熔點(4)、光纖相位調制器(5)、保偏光纖延遲線(6)、光纖準直器(7)、1/4波片(8)、極化的堿金屬氣室(9)、反射鏡(10)、光電探測器(11)、鎖相放大器(12)和信號處理模塊(13)，其中：

寬譜光源(1)輸出具有的頻率覆蓋堿金屬原子D1和D2線的寬譜光經過光纖環形器(2)和光纖起偏器(3)產生線偏振光，經過45°熔點(4)產生偏振方向沿水平和豎直的兩束線偏振光E₁和E₂；兩束線偏振光分別經過光纖相位調制器(5)的快軸和慢軸，產生相位調制，并對應地在保偏光纖延遲線(6)快軸和慢軸中傳輸；兩束光經過光纖準直器(7)進入空間光路，再經過其快軸與水平方向成45°的1/4波片(8)變成左旋和右旋圓偏振光，左旋和右旋圓偏振光進入極化的堿金屬氣室(9)進行原子自旋進動檢測，再經過反射鏡(10)后發生偏振態的互換，并沿原路返回，在回到光纖起偏器(3)時發生干涉，并進入光電探測器(11)實現光電轉換，得到的電信號經過鎖相放大器(12)提取基頻和二倍頻信號，再進入信號處理模塊(13)實現信號相除運算，最終輸出對環境溫度干擾不敏感的信號。

2.根據權利要求1所述的基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置，其特征在于：寬譜光源的譜寬需要覆蓋堿金屬原子D1和D2線，寬譜光源范圍為3THz-20THz。

3.根據權利要求1所述的基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置，其特征在于：所述光纖準直器(7)的焦距滿足光斑尺寸需求，光斑的尺寸需要覆蓋整個堿金屬氣室，實現最多的光與原子相互作用，增強原子自旋進動信號。

4.根據權利要求1所述的基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置，其特征在于：所述裝置中寬譜光源發出的光兩次經過堿金屬氣室(9)，原子自旋進動信號加倍，有效提高了裝置刻度系數。

5.根據權利要求1所述的基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置，其特征在于：所述1/4波片(8)和反射鏡(10)共同構成了線偏振光的模式互換模塊，將導致原來沿相位調制器和保偏光纖延遲線快軸傳輸的E₁在反射后進入了保偏光纖延遲線和相位調制器的慢軸，原來沿相位調制器和保偏光纖延遲線慢軸傳輸的E₂在反射后進入了保偏光纖延遲線和相位調制器的快軸；整個過程E₁和E₂經歷的光學元器件和光路完全一致，只是順序對調，干涉后環境帶來的共模噪聲和誤差完全抵消，實現了溫度抗干擾的優化。

6.一種基于權利要求1所述基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置進行信號抗干擾能力優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)優化基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置的輸出，保證基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置工作在本征頻率和最優調制幅度上，基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置輸出的基頻信號I_out，如公式(1)所示：

I_out＝4KI₀θJ₁[2V_rsin(ωτ/2)]sin(ωτ/2)

其中，K為光電探測器光電轉換系數，I₀為裝置的初始光強，θ為待測的原子自旋進動信號，V_r是相位調制器的調制深度，ω是相位調制器的調制角頻率，是光在基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置中往返傳輸一次的延時，l是堿金屬氣室的尺寸，n是氣室中堿金屬密度，c是真空中光速；J₁為一階Bessel函數，當2V_rsin(ωτ/2)＝1.8rad，J₁(1.8)＝0.53時，基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置具有最大信號，根據公式(1),sin(ωτ/2)是由相干檢測中裝置延時產生的調制誤差信號，當基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置工作在本征頻率時調制誤差最小，此時若要2V_rsin(ωτ/2)＝1.8rad，保證V_r＝0.9rad；

(2)利用相干檢測解調原子自旋進動信號，利用信號發生器驅動相位調制器時，信號發生器同步輸出參考信號輸入鎖相放大器進行相干檢測，輸出基頻和二倍頻信號進行同步數據采集；

(3)將基頻和二倍頻信號進行相除運算后，得到與溫度干擾無關的原子自旋進動信號。