[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

本發明公開了一種基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號抗干擾能力優化方法。該方法從環境溫度干擾抑制、提高基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號穩定性的角度出發，進行基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號環境抗干擾性能的優化，最終實現對基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置的環境溫度不敏感的信號穩定輸出。該方法通過同時采集系統輸出的基頻和二倍頻信號，將兩路信號進行相除運算，獲得系統對環境溫度不敏感的輸出量，該輸出量可以排除環境溫度帶來的系統光損耗的影響。此方法的應用，可有效的提高基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號的穩定性。

技術領域

本發明涉及子原子自旋進動的測量與優化領域。特別是一種基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號抗干擾能力的優化方法。

背景技術

目前，基于原子自旋效應的傳感器具有超高靈敏特性，在基礎物理研究，生物醫學，地磁導航等領域均具有良好的發展前景。美國普林斯頓大學Romalis小組研制的基于原子自旋效應的SERF磁強計已經實現0.16fT/Hz^1/2的磁場測量靈敏度?；谠幼孕膫鞲衅魇峭ㄟ^測量原子自旋進動信號來實現傳感的。以原子磁強計為例介紹其原理，通過一束抽運激光使原子自旋具有宏觀指向，這時，原子自旋的極化方向對磁場敏感，用原子自旋進動角表征原子自旋進動信號，所謂自旋進動角即原子自旋的宏觀指向與抽運光方向的夾角，這個角度與待測信號，如磁場或者慣性信號成正比，利用一束檢測光平行或者垂直于抽運光方向，將原子自旋進動信號轉化為光信號，再通過檢測電路即可解調出原子自旋進動角。

現有的檢測方法是基于偏振消光原理的旋光法測量，利用起偏和檢偏器測量原子自旋進動信號敏感表頭的旋光度實現原子自旋進動角測量，測量的表頭旋光度與原子自旋進動角成正比，所測得的光旋度乘以一個刻度系數，即可獲得原子自旋進動角。

這種方法測量原子自旋進動信號原理簡單，但是依賴于光強穩定性，并且采用分立元件的光路對外界環境敏感，受低頻噪聲影響較大，雖然加入法拉第調制或者PEM調制會改善其噪聲影響，但是加入調制器系統結構較復雜，同時控制調制器還需要額外的溫控裝置。

在原子自旋進動檢測方法中，提高系統的穩定性和環境抗干擾能力是研究中所需解決的問題。一種基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置的出現能夠有效的解決了原子自旋進動檢測裝置穩定性和環境抗干擾能力的問題?；诠饫wSagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置具有互易性的光路，能夠從結構上抑制環境中的共模噪聲，尤其是互易型的噪聲。但是對于如環境溫度的擾動帶來的光強損耗的不穩定性并無法通過互易性光路結構完全消除。 2005年，K.Bohnert采用閉環控制的方法雖然隔離光強擾動對光纖電流互感器信號的影響，但是與原子自旋進動檢測不同的是，測量對象是直流信號；在本系統中，采用閉環控制不僅需要復雜的系統進行跟蹤反饋，也難以實現不同頻率信號的跟蹤，因此如何解決這部分溫度擾動的問題是目前的技術難點。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種基于光纖Sagnac干涉的原子自旋進動檢測裝置信號環境抗干擾能力的優化方法。通過同時采集系統輸出的基頻和二倍頻信號，將信號進行相除運算，輸出的信號能大大提高系統環境抗干擾能力。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：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：該裝置包括超發光二極管(Superluminescent Diode,SLD)光源、光纖環形器、光纖起偏器、光纖相位調制器、光纖準直器、1/4波片、堿金屬氣室、反射鏡、光電探測器、鎖相放大器、信號處理模塊，其中：