[發(fā)明專利]一種用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置及方法

有效

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• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111817130B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王天順;秦德鑫;段宇鵬;黃偉;劉院省;王學(xué)鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: H01S5/0687
• 分類號: H01S5/0687;G01C19/72
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 高志瑞

本發(fā)明公開了一種用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置及方法，該裝置由光學(xué)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，兩部分通過電線連接。光學(xué)系統(tǒng)包含溫度傳感器、加熱片、原子氣室和光電探測器，電路系統(tǒng)包含溫控系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。通過在光路中增加一個只包含堿金屬的原子氣室，產(chǎn)生窄的吸收峰從而實現(xiàn)高穩(wěn)定性的頻率穩(wěn)定，配合電路系統(tǒng)對泵浦光的輸出光頻率進(jìn)行穩(wěn)頻控制，實現(xiàn)高穩(wěn)定的頻率穩(wěn)定。該發(fā)明克服了原有SERF陀螺儀泵浦激光無法直接利用陀螺工作用原子氣室中堿金屬吸收峰穩(wěn)頻的缺點，整體結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，適用于SERF陀螺儀小型化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于SERF陀螺儀的激光穩(wěn)頻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置及方法。

背景技術(shù)

近年來，SERF陀螺儀技術(shù)發(fā)展迅速，大部分SERF陀螺儀都采用半導(dǎo)體激光器作為泵浦和探測激光。而半導(dǎo)體激光器的輸出波長會隨著激光器的溫度和電流的變化產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對激光器的實際應(yīng)用產(chǎn)生較大的影響。在SERF原子自旋陀螺儀中，泵浦激光的頻率穩(wěn)定性直接決定了原子極化率的穩(wěn)定性，最終會影響陀螺儀的零偏穩(wěn)定性。當(dāng)利用陀螺儀實現(xiàn)高精度的測量時，激光器的頻率漂移將嚴(yán)重限制陀螺儀的輸出精度。因此，SERF陀螺儀要求采用激光有盡可能高的頻率穩(wěn)定性。

一般來說，可以通過控制激光器的驅(qū)動參數(shù)和外部環(huán)境，例如溫度、電流及濕度等參數(shù)來穩(wěn)定激光器的出光頻率。但是溫控和電流的極端穩(wěn)定以及外界環(huán)境的控制技術(shù)難度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難以實現(xiàn)。因此需要更加有效的自動穩(wěn)定閉環(huán)控制系統(tǒng)。

激光頻率閉環(huán)控制方面，泵浦激光的頻率穩(wěn)定可以利用原子氣室的堿金屬吸收峰進(jìn)行線性穩(wěn)頻或者飽和吸收穩(wěn)頻。SERF陀螺儀的工作原子氣室中充有堿金屬原子、惰性氣體、緩沖氣體。緩沖氣體的作用是減少堿金屬原子和惰性氣體原子與氣壁的碰撞，因而一般充有高于一個大氣壓的氣體，進(jìn)而導(dǎo)致工作原子氣室的吸收峰很寬，一般來說大于1GHz，而太寬的吸收峰難以直接進(jìn)行激光頻率穩(wěn)頻。因此，泵浦激光無法直接利用SERF陀螺儀內(nèi)原子氣室的堿金屬吸收峰進(jìn)行泵浦激光頻率閉環(huán)控制。

目前，SERF陀螺儀的泵浦光穩(wěn)頻一般在主光路中分出一束光，然后采用飽和吸收穩(wěn)頻方法或線性穩(wěn)頻方法。這兩種方法都需要新增光路系統(tǒng)、加熱保溫結(jié)構(gòu)、溫度控制模塊及信號檢測模塊。增加了SERF陀螺儀的光路調(diào)試和系統(tǒng)集成的復(fù)雜程度，不適于實現(xiàn)SERF陀螺儀的小型化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置及方法，利用一個新的原子氣室，構(gòu)成一套泵浦激光穩(wěn)頻系統(tǒng)，實現(xiàn)泵浦激光頻率的鎖定，同時不增加SERF陀螺儀工作光路、結(jié)構(gòu)以及溫控和信號檢測模塊，克服了原有泵浦光穩(wěn)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于SERF陀螺儀小型化的缺點。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置，包括：泵浦激光、1/4波片、工作原子氣室、穩(wěn)頻原子氣室、主動磁補(bǔ)償線圈、磁屏蔽筒、光電探測器、信號處理電路和激光控制器；其中，所述工作原子氣室、所述穩(wěn)頻原子氣室和所述主動磁補(bǔ)償線圈均設(shè)置于所述磁屏蔽筒的內(nèi)部；其中，所述主動磁補(bǔ)償線圈的中心位置與所述磁屏蔽筒的中心位置相重合；所述工作原子氣室位于所述主動磁補(bǔ)償線圈的中心位置處；所述穩(wěn)頻原子氣室沿泵浦光方向放置在所述工作原子氣室的后方；激光控制器控制泵浦激光的輸出功率和頻率，泵浦激光通過1/4波片后變?yōu)閳A偏振光，依次穿過工作原子氣室和穩(wěn)頻原子氣室后到達(dá)光電探測器；光電探測器探測經(jīng)過工作原子氣室和穩(wěn)頻原子氣室后的圓偏振光信號，然后將圓偏振光信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏餍盘柡筝敵鼋o信號處理電路；信號處理電路根據(jù)光電探測器輸入的光電流信號，輸出反饋信號給外部的泵浦激光器，使泵浦激光器輸出穩(wěn)頻激光。

上述用于SERF陀螺儀的泵浦激光穩(wěn)頻裝置中，所述信號處理電路包括I-V轉(zhuǎn)換模塊、電壓放大模塊和PID控制模塊；其中，信號處理電路接收到光電流信號后，通過I-V轉(zhuǎn)換模塊將光電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺缓髮㈦妷盒盘栞敵鼋o電壓放大模塊進(jìn)行信號放大，PID控制模塊對放大后電壓信號進(jìn)行處理，然后輸出反饋信號給外部的激光控制器，使泵浦激光器輸出穩(wěn)頻激光。