本發(fā)明涉及偏振測量技術(shù)及微弱信號處理的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

光抽運(yùn)堿金屬氣室的線偏振光旋角檢測在超高靈敏慣性測量、超高靈敏磁測量、高精度原子自旋慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。高精度、高穩(wěn)定的微弱光旋角信號的檢測及提取是整個慣性及磁場測量裝置的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的基于偏振分光棱鏡的差分檢測技術(shù)，因輸出為直流信號沒有調(diào)制容易受低頻噪聲的串?dāng)_，但優(yōu)勢在于采用平衡差分技術(shù)可以去除信號檢測中入射光功率的影響；另一種常用的法拉第調(diào)制光旋角檢測技術(shù)，由于法拉第晶體的磁光系數(shù)隨溫度變化特性以及本身磁噪聲限制不適用于超高靈敏的磁場及慣性測量，特別是小體積的集成化裝置中。而基于光彈調(diào)制的偏振檢測技術(shù)，相比于法拉第調(diào)制檢測，溫度性能更為穩(wěn)定且沒有線圈的電磁干擾，更適合于超高靈敏的磁測量及慣性測量，但是在光旋角檢測中仍然存在光功率的波動影響。因此需要一種高靈敏度、穩(wěn)定的可消除光功率波動等共模噪聲干擾的微弱光旋角檢測的裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提出一種基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置及方法克服上述現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)的不足。該裝置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊，不僅具有光彈偏振調(diào)制檢測的靈敏度而且兼容偏振平衡差分檢測中消除系統(tǒng)共模誤差的優(yōu)勢。數(shù)字鎖相放大器同時提取兩路信號的差分信號，以及兩路信號的加和信號，處理運(yùn)算后得到消除系統(tǒng)入射光功率的共模誤差信號。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置，該裝置包括準(zhǔn)直擴(kuò)束的檢測激光源、起偏器、光彈調(diào)制器、四分之一波片、堿金屬氣室樣品、二分之一波片、沃拉斯頓檢偏器、平衡差分光電探測器、光彈控制器、數(shù)字鎖相放大器、信號加法器和信號采集及處理單元，數(shù)字鎖相放大器為雙通道數(shù)字鎖相放大器，包括第一鎖相放大器和第二鎖相放大器兩個通道，其中：沿所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束的檢測激光源出射的光束前進(jìn)方向依次是起偏器、光彈調(diào)制器、四分之一波片、待測堿金屬氣室樣品、二分之一波片、沃拉斯頓檢偏棱鏡和平衡差分光電探測器，所述的光彈控制器通過串口與所述的光彈調(diào)制器控制端相連，所述的光彈調(diào)制器的第一輸出端通過bnc轉(zhuǎn)接頭接所述的數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端，所述的平衡差分光電探測器的正通道“+”及負(fù)通道“-”信號輸出端分別接所述的信號加法器兩路輸入端，所述的平衡差分光電探測器的差分通道“rf”信號輸出端接所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，經(jīng)數(shù)字鎖相放大器解調(diào)的二次諧波信號輸出端通過bnc轉(zhuǎn)接線接信號采集與處理單元，信號加法器輸出的兩單通道信號的加和信號通過bnc接入信號采集與處理單元，信號采集與處理單元的數(shù)據(jù)采集程序用于采集數(shù)字鎖相放大器輸出的信號。

其中，起偏器透光軸沿x軸方向；光彈調(diào)制器的振動方向與起偏器呈45度夾角；四分之一波片為單點(diǎn)波長的真零級器件，其快軸與起偏器透振方向同軸；二分之一波片的快軸方向與起偏器透光軸呈45度夾角，沃拉斯頓檢偏器的振動軸與起偏器呈45度。

本發(fā)明還提供一種基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測方法，利用上述的基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置，該方法包括以下步驟：

①將待測的堿金屬氣室樣品插入所述的四分之一波片及二分之一波片之間，注意入射光與樣品表面垂直且中心通過；

②所述的光彈控制器通過前面板設(shè)定光彈調(diào)制器的峰值相位延遲量為0.09rad，所述的平衡差分光電探測器分別記錄從沃拉斯頓檢偏器出射的兩路單通道及一路差分的光束光強(qiáng)并轉(zhuǎn)化為電信號，其中正通道“+”及負(fù)通道“-”的輸出電信號分別接至所述的信號加法器的兩路輸入端，差分通道電信號輸出至所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，所述的光彈控制器輸出端通過bnc連接線與數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端相連，數(shù)字鎖相放大器的輸出信號包含一次諧波分量和二次諧波分量，其中數(shù)字鎖相放大器二次諧波輸出信號通過bnc連接線輸送至信號采集及處理單元；

③所述的信號采集及處理單元通過數(shù)據(jù)采集程序采集所述的信號加法器輸出信號為：

vadd＝kiadd＝k(i⁺+i^-)

其中，k為系統(tǒng)參數(shù)，iadd為信號經(jīng)加法器輸出信號兩單通道信號之和，i⁺為差分光電探測器正通道“+”輸出光強(qiáng)，i^-為差分光電探測器負(fù)通道“-”輸出光強(qiáng)；

所述的信號采集及處理單元通過數(shù)據(jù)采集程序采集所述的鎖相放大器輸出信號的二次諧波分量：

v2f＝i^--i⁺＝2ki0θj2(αm)

其中，i0為準(zhǔn)直光源經(jīng)起偏器后的初始光強(qiáng)，θ為經(jīng)堿金屬氣室樣品的偏振光旋角，αm是光彈調(diào)制器的峰值延遲量，j2(αm)是第2階貝塞爾函數(shù)；

將信號加法器得到的兩個單通道的加和信號和及鎖相放大器獲得的v2f進(jìn)行下列計算：

得到待測堿金屬氣室的光旋角信息θ。

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：

(1)采用基于光彈偏振調(diào)制的平衡差分檢測，既有光彈偏振調(diào)制的高檢測靈敏度，又能夠消除光路中功率波動。純光學(xué)器件，光路結(jié)構(gòu)緊湊。

(2)兩路單通道信號以及平衡差分信號分別同步通過數(shù)字鎖相放大器解調(diào)，保證信號處理的實(shí)時性及準(zhǔn)確性，操作方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置實(shí)施結(jié)構(gòu)框圖，其中，1為準(zhǔn)直擴(kuò)束檢測激光器，2為起偏器，3為光彈調(diào)制器，4為四分之一波片，5為堿金屬氣室樣品，6為二分之一波片，7為沃拉斯頓檢偏器，8為平衡差分光電探測器；

圖2為本發(fā)明實(shí)施方法步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置實(shí)施結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見，本發(fā)明消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置由準(zhǔn)直擴(kuò)束的檢測激光源1、起偏器2、光彈調(diào)制器3、四分之一波片4、堿金屬氣室樣品5、二分之一波片6、沃拉斯頓檢偏器7、平衡差分光電探測器8、光彈控制器、數(shù)字鎖相放大器、信號加法器和信號采集及處理單元組成，數(shù)字鎖相放大器為雙通道數(shù)字鎖相放大器，包括第一鎖相放大器和第二鎖相放大器兩個通道，其中：

沿準(zhǔn)直擴(kuò)束的檢測激光源1出射的光束前進(jìn)方向依次是起偏器2、光彈調(diào)制器3、四分之一波片4、待測堿金屬氣室樣品5、二分之一波片6、沃拉斯頓檢偏棱鏡7和平衡差分光電探測器8。光彈控制器通過串口與光彈調(diào)制器3的控制端相連，光彈控制器的第一輸出端通過bnc轉(zhuǎn)接頭接數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端，平衡差分光電探測器8的正通道“+”及負(fù)通道“-”信號輸出端分別接信號加法器兩路輸入端，平衡差分光電探測器8的差分通道“rf”信號輸出端連接數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，經(jīng)鎖相放大器解調(diào)的二次諧波信號輸出端通過bnc轉(zhuǎn)接線接信號采集與處理單元，信號加法器輸出的兩路信號求和后的信號通過bnc接入信號采集與處理單元，信號采集與處理單元的數(shù)據(jù)采集程序用于采集數(shù)字鎖相放大器輸出的信號。

起偏器2透光軸沿x軸方向；光彈調(diào)制器3的振動方向與起偏器2呈45度夾角；四分之一波片4快軸與起偏器透振方向同軸；二分之一波片6的快軸與起偏器2透光軸呈45度夾角，沃拉斯頓檢偏器7的振動軸與起偏器2呈45度，平衡差分光電探測器8由兩個性能一致的光電二極管及各自對應(yīng)的前置放大電路組成，可分別實(shí)現(xiàn)單獨(dú)兩通道信號以及兩通道差分信號的放大輸出。

本發(fā)明的最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其具體結(jié)構(gòu)如下：準(zhǔn)直擴(kuò)束的檢測激光源1為波長795nm的dfb半導(dǎo)體激光器，起偏器2為方解石制成的格蘭泰勒偏振棱鏡其消光比優(yōu)于10^-5；光彈調(diào)制器3為hindsinstruments公司研制的共振頻率50khz的pem100光彈調(diào)制器；四分之一波片4為真零級795nm單點(diǎn)波長相位延遲器件；堿金屬氣室樣品5由一定比例k、rb堿金屬原子混合物及一定氣壓的惰性氣體²¹ne組成；二分之一波片6為真零級對應(yīng)檢測光波長的半波延遲器；檢偏器7為消光比優(yōu)于10^-5的沃拉斯頓偏振棱鏡；平衡差分光電探測器8由兩個光電二極管及其前置放大電路構(gòu)成；光彈控制器與光彈調(diào)制器3配套用來驅(qū)動光彈調(diào)制器3的振動；數(shù)字鎖相放大器由瑞士zi公司研制的雙通道hf2li鎖相放大器；

利用所述的基于光彈調(diào)制的微小光旋角平衡差分檢測裝置進(jìn)行光旋角檢測的方法，其包括下列步驟：

①將待測的堿金屬氣室樣品5插入所述的四分之一波片4及二分之一波片6之間，調(diào)節(jié)入射光與樣品表面垂直且從氣室中心通過；

②光彈控制器通過前面板設(shè)定光彈調(diào)制器3的峰值相位延遲量為0.09rad，平衡差分光電探測器8分別記錄從沃拉斯頓檢偏器7出射的兩路單通道及一路差分的光束光強(qiáng)并轉(zhuǎn)化為電信號，其中兩路單通道電信號“+”及“-”輸出至所述的信號加法器的兩路輸入端，差分通道電信號輸出至數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，光彈控制器輸出端通過bnc與數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端相連，數(shù)字鎖相放大器的輸出信號包含一次諧波分量和二次諧波分量，其中數(shù)字鎖相放大器一次諧波輸出信號通過bnc連接線輸送至信號采集及處理單元；信號加法器輸出的兩單通道信號之和通過bnc連接線輸入至信號采集及處理單元。

③信號采集及處理單元通過數(shù)據(jù)采集程序采集所述的信號加法器輸出信號為：

vadd＝kiadd＝k(i⁺+i^-)

其中，k為系統(tǒng)參數(shù)，iadd為信號經(jīng)加法器輸出信號兩單通道信號之和，i⁺為差分光電探測器正通道“+”輸出光強(qiáng)，i^-為差分光電探測器負(fù)通道“-”輸出光強(qiáng)；

信號采集及處理單元通過數(shù)據(jù)采集程序采集所述的鎖相放大器輸出信號的二次諧波分量：

v2f＝i^--i⁺＝2ki0θj2(αm)

其中，i0為起偏器后初始入射激光強(qiáng)度，θ為待測經(jīng)堿金屬氣室偏振光旋角，αm是光彈調(diào)制器的峰值延遲量，j2(αm)是第2階貝塞爾函數(shù)；

將加法器得到的兩個單通道加和信號與鎖相放大器獲得的v2f進(jìn)行下列計算：

得到待測堿金屬氣室5的光旋角信息θ。

本發(fā)明的工作原理如下：

經(jīng)過起偏器2出射的線偏振光的瓊斯矢量e0為：

光彈調(diào)制器3、四分之一波片4、以及待測堿金屬氣室樣品5的瓊斯矩陣分別為：

其中，jpem、jqw、jcell分別為所述的光彈調(diào)制器3、四分之一波片4、堿金屬氣室樣品5的瓊斯矩陣；δ(t)為所述光彈調(diào)制器3的相位延遲量，δ(t)＝αmsin(ωt)，αm為光彈調(diào)制器3的峰值延遲量，ω是調(diào)制頻率，θ為線偏振光經(jīng)過堿金屬氣室偏振面旋轉(zhuǎn)的角度；

沃拉斯頓棱鏡的兩光束分量的瓊斯矩陣分別為：

其中，jwl1為經(jīng)沃拉斯頓棱鏡第一光束的瓊斯矩陣，jwl2為經(jīng)沃拉斯頓棱鏡第二光束的瓊斯矩陣。

平衡差分光電探測器8探測得到的正通道“+”出射的光矢量e⁺為：

平衡差分光電探測器8測量正通道“+”的光強(qiáng)i⁺為：

平衡差分光電探測器8探測得到的負(fù)通道“-”的出射的光矢量e^-為：

平衡差分光電探測器8測量負(fù)通道“-”的光強(qiáng)i^-為：

平衡差分光電探測器8兩路差分通道rf測量的光強(qiáng)isub為：

isub＝i^--i⁺＝i0sin[δ(t)-2θ](11)

通過雅克比-安格爾恒等式和歐拉公式可將三角函數(shù)展開成第一類貝塞爾函數(shù)形式：

其中j0是零階貝塞爾函數(shù)，j2k-1是第2k-1階貝塞爾函數(shù)，j2k是第2k階貝塞爾函數(shù)。設(shè)置光彈控制器使得光彈調(diào)制器峰值相位延遲量αm＝0.09rad，將公式(12)、(13)帶入公式(11)展開可得到：

isub＝i0(1-θ²).j1(αm)sinωt-2i0θj0(αm)+2i0θj2(αm)cos2ωt(14)

平衡差分光電探測器8采集的rf通道電信號vsub與測量光強(qiáng)isub的關(guān)系為：

vsub＝kisub(15)

其中k是差分光電探測器的包含光電轉(zhuǎn)換系數(shù)在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)。從式(14)中能夠分別得到直流分量vdc，基頻分量v1f，二次諧波分量v2f，數(shù)字鎖相放大器測得的信號值為均方根值，因此數(shù)字鎖相放大器測得的二次諧波分量為：

v2f＝2ki0θj2(αm)(16)

平衡差分光電探測器8兩單通道信號的電信號與測試光強(qiáng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)及差分通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)相等，且測試系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)相同，其兩路電信號相加后輸出信號表達(dá)式為：

vadd＝k(i^-+i⁺)＝ki0(17)

為了消除因準(zhǔn)直光源功率波動以及光學(xué)器件的吸收、反射、散射引起的光強(qiáng)變化，將式(16)和式(17)相除，可得到：

通過公式(18)可以計算出線偏振光通過待測堿金屬氣室樣品5的光學(xué)旋轉(zhuǎn)角。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。