[發明專利]一種基于雙消偏振分光棱鏡的光功率穩定控制裝置及方法

有效

• 申請號: 202110614440.6
• 申請日: 2021-06-02
• 公開（公告）號: CN113432589B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 全偉;張偉佳;段利紅;范文峰;范時秒
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 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雙消偏振分光棱鏡的高精度光功率穩定控制裝置及方法，首先將激光器輸出的激光分為兩束，其中一束作為液晶光功率穩定控制模塊的輸入，另一束激光入射到一個由輔助消偏振分光棱鏡(NPBS)和兩個光電探測器組成的分光比監測模塊。分光比監控模塊實時監測分光比波動，并將波動信號輸入到光功率控制系統的電子控制單元中，電子控制單元根據分光比波動和反饋光功率信號計算光功率衰減器的控制電壓，從而實現環境溫度波動情況下的環外檢測光功率穩定控制。本發明只需在原有光路中增加一個輔助的NPBS即可實現分光器件分光比波動誤差抑制，在維持光路小型化的基礎上進一步提高環外入射氣室的檢測光功率穩定性，提高SERF慣性測量精度。

技術領域

本發明涉及激光功率穩定控制技術領域，具體涉及一種基于雙消偏振分光棱鏡的高精度光功率穩定控制裝置及方法，可用于SERF原子自旋慣性測量的檢測系統，抑制環境溫度變化引起的分光器件分光比波動誤差，提高環外入射原子氣室的檢測光功率穩定性，減小SERF原子自旋慣性測量系統輸出信號的漂移。

背景技術

隨著量子技術的發展，利用原子自旋進行慣性測量是未來重要的發展方向之一，其中SERF原子自旋慣性測量系統的理論精度可達10^-8°/h，但目前實際達到的精度與理論精度之間存在較大差距，其中光功率波動誤差是制約其精度進一步提升的主要誤差源之一。因此研究高性能的檢測光功率穩定控制具有重要意義。

SERF慣性測量中常用基于液晶的檢測光功率穩定控制方案，該方案利用了一個分光器件進行分光且實現了反饋環內的有效光功率閉環控制，由于分光器件的分光比極易受環境溫度波動影響，使處于反饋環外入射原子氣室的檢測光功率穩定性受到極大限制，難以實現高精度的慣性信號測量。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有液晶穩光功率方法只能有效穩定控制反饋環內光功率，而環外光功率控制精度易受溫度影響的不足，提出一種基于雙消偏振分光棱鏡的高精度光功率穩定控制裝置，在保證光路小體積的前提下，抑制了由于環境溫度波動導致的分光器件誤差，顯著提高了環外檢測光功率穩定性，實現高精度的SERF原子自旋慣性測量。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種基于雙消偏振分光棱鏡的高精度光功率穩定控制裝置，包括檢測激光器、1/2波片、由第一格蘭泰勒棱鏡、液晶相位延遲器、第二格蘭泰勒棱鏡、第一消偏振分光棱鏡、電控系統、參考電壓和第三光電探測器構成的檢測光功率穩定控制模塊；原子氣室、磁屏蔽筒、由第一光電探測器、第二消偏振分光棱鏡、第二光電探測器、乘法器構成的檢測系統分光器件誤差實時抑制系統。檢測激光器出射的檢測激光經1/2波片和第一格蘭泰勒棱鏡分成兩束，一束經液晶相位延遲器進入檢測光功率穩定控制模塊，并在第一消偏振分光棱鏡處再次分成兩束激光，一束由第三光電探測器探測轉換為電信號后進行檢測光功率的穩定閉環控制，另一束閉環控制環外光則入射至磁屏蔽筒中的原子氣室中進行SERF原子自旋慣性信號的檢測；經第一格蘭泰勒棱鏡分成的另一束激光入射至第二消偏振分光棱鏡，并由第一光電探測器和第二光電探測器探測轉為電信號，兩路探測信號反饋至乘法器與由第三光電探測器探測的信號進行運算處理，實現分光器件的波動誤差實時抑制，處理結果與參考電壓進行對比產生誤差信號，該誤差使電控系統輸出PID控制電壓并作用在液晶相位延遲器上實現檢測光功率的穩定閉環控制。

其中，第一格蘭泰勒棱鏡的透光軸要與第二格蘭泰勒棱鏡的透光軸垂直，二者處于消光狀態；液晶的快軸與第一格蘭泰勒棱鏡和第二格蘭泰勒棱鏡的透光軸分別成45°，以構成檢測光功率衰減器。

所述第一格蘭泰勒棱鏡可以選用偏振分光棱鏡(PBS)替代，為保證高性能的光功率穩定效果，第二格蘭泰勒棱鏡則不能使用消光比較低的PBS替代。

所述第一消偏振分光棱鏡與第二消偏振分光棱鏡作為分光器件，也可以使用1/2波片加PBS或1/2波片加格蘭泰勒棱鏡等分光器件替代。