消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的方法

摘要

本发明提出的基于光与物质非线性作用过程消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的方法，包括：两束偏振正交且工作在脉冲模式下的相干光(泵浦光和信号光)，以及能够与相干光发生非线性作用过程的作用介质单元。其中，偏振正交的泵浦光和信号光与作用介质单元发生非线性作用过程，产生物质相干性。该物质相干性与泵浦光、信号光之间存在相位和强度关联。将该非线性作用过程与光纤线圈的Sagnac效应结合，通过控制信号光与泵浦光在光纤线圈的偏振特性，使其与背向散(反)射和偏振交叉耦合等引起的寄生光在偏振态上分离，从而可以有效消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的干扰，为高精度测量发展提供了新途径。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学及精密测量方法，尤其涉及一种全新的基于光与物质非 线性作用过程消除Sagnac干涉仪中寄生光的方法。

背景技术

惯性技术利用惯性原理实现运动物理姿态和运动轨迹测量与控制，是惯性仪 表、惯性稳定、惯性导航、惯性制导和惯性测量等技术的总称，是一项具有自主 性好、信息全面、实时连续、抗干扰性强等特性的载体运动信息感知技术，广泛 应用于军事和国民经济领域中各类运动载体惯性导航、制导控制、定位定向、姿 态稳定以及过载传感等惯性系统。作为惯性系统的核心，陀螺仪用于敏感运动载 体相对惯性空间的角运动，测量载体的角位移和角速度，对惯性系统的性能起着 关键作用。其中，基于Sagnac干涉仪的光纤陀螺具有高可靠性、长寿命、快速 启动、大动态范围优势，精度可以覆盖从战术级到战略级，从军用到民用的多种 领域，具有良好的应用前景，是21世纪惯性技术领域的主流陀螺仪之一。

传统的Sagnac干涉仪的工作原理为从光源发出的激光束经分束器分成两 束，在光纤环中相向传播并再次返回到分束器，并形成干涉。当光纤陀螺绕光纤 环的法向轴旋转时，由于Sagnac效应，两束相向传播的光束之间将产生光程差， 进而产生相位差，通过干涉测量的方法就可以测量出转速。因此利用该光纤陀螺 实现转速测量的前提为两束相向传播的光波必须满足相干条件，即相同的偏振 态，这将导致输出的干涉信号的对比度很容易受到偏振衰落及偏振交叉耦合的影 响。在实际应用中，为了实现角速度精确测量，光纤陀螺通常采用时间相干性弱 的宽带光源，用于减小光路中的背向散(反)射和偏振交叉耦合等寄生干涉。然 而宽带光源将会带来光谱的形状、谱宽等参数的不同，影响两束光波的相干性。 同时，利用宽带光源的弱相干性特点，仅使背向散(反)射等寄生光与主光波之 间不相干，而背向反射或背向散射等寄生干涉光之间的干涉并未得到有效抑制。 另外，光路中的器件对不同波长的光波的衰减作用不同，导致返回的两束光波光 谱发生变化，相干性也发生变化。因此，光纤陀螺中偏振衰落、背向散(反)射 和偏振交叉耦合等寄生光的有效抑制是光纤陀螺研制中的关键技术。

发明内容

针对传统Sagnac干涉仪寄生光的问题，本发明提供了一种全新的技术方案 ——利用光与物质非线性作用过程消除全光Sagnac干涉仪中寄生干涉。

本发明提供了一种消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的方法，包括：

步骤一：偏振水平的信号光S0与偏振垂直的泵浦光P在作用介质单元10 中发生非线性相互作用，产生物质相干性A0的同时，将信号光S0被放大为S1。 其中，物质相干性A0与泵浦光P、信号光S1之间存在相位和强度关联。

步骤二：步骤一产生的物质相干性A0留在作用介质单元10中，而被放大 的信号光S1与泵浦光P一起从作用介质单元10中传播出来，经极化分束器5 分束，沿着光纤线圈9相向传播。在光纤线圈9一端串接半波片7，信号光S1 和泵浦光P的偏振特性分别变为垂直偏振和水平偏振，经极化分束器5的作用 重新返回到作用介质单元10中发生第二次非线性相互作用；此时，待测角速度 引起的相位变化被调制到信号光S1和泵浦光P相位差信号中；

步骤三：重新返回到作用介质单元10的泵浦光P、信号光S1与物质相干 性A0相互作用，产生偏振垂直的信号光S2被探测器8探测，此时S2光强与 待测角速度引起的相位变化有关。

其中，所述信号光S0和泵浦光P均工作在脉冲模式下，偏振正交，满足双 光子共振。

其中，所述作用介质单元可以是处于基态的原子、离子、分子或者量子点等， 如⁸⁷Rb原子系综。

在光纤线圈9中，信号光、泵浦光及其背向散(反)射光的偏振特性变化趋 势如下所示：

信号光：5(‖)→9(‖)→7(⊥)→5(⊥)

泵浦光：5(⊥)→7(‖)→9(‖)→5(‖)

信号光引起的背向散(反)射：5(‖)→9(‖)→5(‖)

泵浦光引起的背向散(反)射：5(⊥)→7(‖)→9(‖)→7(⊥) →5(⊥)

其中，‖代表水平偏振光，⊥代表垂直偏振光。即，信号光S1、泵浦光P与其各 自对应的背向散射光在光纤线圈9中传播路径是不同的，这将导致信号光S1、 泵浦光P与其各自对应的背向散射光在光纤线圈9中偏振态上是不同的。当偏 振垂直信号光S1和偏振水平泵浦光P再次返回到作用介质单元10发生非线性 相互作用时，将产生偏振垂直的信号光S2。相对而言，返回到作用介质单元10 时，信号光S1的背向散射光为水平偏振，泵浦光P的背向散射光为垂直偏振。 这两束背向散射光与作用介质单元10发生非线性相互作用时，将产生偏振水平 的信号光S3。信号光S2与S3通过极化分束器4实现分离，从而可以有效消除 背向散(反)射光的干扰。

在光纤线圈中，信号光与泵浦光引起的偏振交叉耦合光具体变化趋势如下所 示：

信号光引起的偏振交叉耦合光：5(‖)→9(⊥)→7(‖)→5(‖)

泵浦光引起的偏振交叉耦合光：5(⊥)→7(‖)→9(⊥)→5(⊥)

其中，‖代表水平偏振光，⊥代表垂直偏振光。即，信号光S1和泵浦光P在光 纤线圈9中发生偏振交叉耦合，将原本偏振水平的信号光S0与偏振垂直的泵浦 光P分别变为垂直偏振和水平偏振。再经过半波片7的作用，将信号光S1和泵 浦光P引起的偏振交叉耦合光分别变为水平偏振和垂直偏振。最终信号光S1和 泵浦光P引起的偏振交叉耦合光直接从极化分束器5水平出射，实现信号光S1、 泵浦光P与其偏振交叉耦合光的分离，从而可以有效消除偏振交叉耦合光的干 扰。

本发明方法利用偏振正交的泵浦光和信号光与物质发生非线性作用过程，产 生物质相干性与泵浦光、信号光之间的相位和强度关联。同时，将非线性作用过 程与光纤线圈的Sagnac效应结合，通过控制信号光与泵浦光在光纤线圈的偏振 特性，使其与背向散(反)射和偏振交叉耦合等引起的寄生光在偏振态上分离， 从而可以有效消除寄生光的干扰，为高精度测量发展提供了新途径。

附图说明

图1是发明实施例中作用介质⁸⁷Rb原子能级图。

图2是发明实施例中利用铷原子拉曼散射过程消除全光Sagnac干涉仪中寄生干 涉的结构示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的 过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识 和公知常识，本发明没有特别限制内容。

在本发明中，相互作用介质单元可以是处于基态的原子、离子、分子或者量 子点等。本实施例存储介质单元是制备在基态的纯⁸⁷Rb原子系综。图1显示的 是⁸⁷Rb原子能级和相应的光频图。其中，5²S_1/2、5²P_1/2、5²P_3/2为⁸⁷Rb原子的 精细结构，F＝1、F＝2为精细结构5S_1/2的超精细分裂，其能级差为6.8GHz。虚 线所示为⁸⁷Rb原子的虚能级。若要实现非线性光与原子相位和强度关联，应将 原子系综的初态全部布居在一个能级上，如5²S_1/2，F＝1基态能级。

非线性过程可以是拉曼过程或者四波混频过程等。本实施例中的非线性过程 为拉曼过程。图2显示的是基于铷原子拉曼散射过程的Sagnac角速度测量系统 的结构示意图。本发明中，包括：第一光源1，第二光源2，极化分束器3、4、 5，半波片6、7，光电探测器8，光纤线圈9，铷原子系综10。

其中，第一光源1用于产生入射泵浦光场P，第二光源2用于产生入射信号 光场S0。信号光场S0的频率与入射泵浦光场P频率相差6.8GHz，且满足双光 子共振。更为具体地，本发明较佳实施例中第一光源1和第二光源2为相干光源。 本发明较佳实施例中，入射信号光场S0和泵浦光场P均为脉冲模式。

入射泵浦光场P和信号光场S0合束入射到处于基态能级的铷原子系综10 发生受激拉曼散射过程，产生信号光场S1和原子相干性A1。其中，原子相干 性A1会一直留在铷原子系综10里面，而信号光场S1与泵浦光场P一起从铷 原子系综10中传播出来，分别沿着光纤线圈9的相向传播，并经过半波片7和 极化分束器5作用重新原路返回到铷原子系综10中。重新返回到铷原子系综10 的泵浦光P与原子相干性A1相互作用，产生偏振垂直的信号光S2，此时S2 光强与待测角速度引起的相位变化有关。

因此，在光纤线圈9中，信号光、泵浦光及其背向散(反)射光的偏振特性 变化趋势如下所示：

信号光：5(‖)→9(‖)→7(⊥)→5(⊥)

泵浦光：5(⊥)→7(‖)→9(‖)→5(‖)

信号光引起的背向散(反)射：5(‖)→9(‖)→5(‖)

泵浦光引起的背向散(反)射：5(⊥)→7(‖)→9(‖)→7(⊥)→5 (⊥)

其中，‖代表水平偏振光，⊥代表垂直偏振光。可以看出，信号光S1、泵浦光P 与其各自对应的背向散射光在光纤线圈9中传播路径是不同的，这将导致信号光 S1、泵浦光P与其各自对应的背向散射光在光纤线圈9中偏振态上是不同的。 当偏振垂直信号光S1和偏振水平泵浦光P再次返回到作用介质单元10发生非 线性相互作用时，将产生垂直偏振的信号光S2。相对而言，返回到作用介质单 元10时，信号光S1的背向散射光为水平偏振，泵浦光P的背向散射光为垂直 偏振。这两束背向散射光与作用介质单元10发生非线性相互作用时，将产生偏 振水平的信号光S3。信号光S2与S3通过极化分束器4实现分离，从而可以有 效消除背向散(反)射光的干扰。

与此同时，在光纤线圈9中，信号光与泵浦光引起的偏振交叉耦合光变化趋 势如下所示：

信号光引起的偏振交叉耦合光：5(‖)→9(⊥)→7(‖)→5(‖)

泵浦光引起的偏振交叉耦合光：5(⊥)→7(‖)→9(⊥)→5(⊥)

其中，‖代表水平偏振光，⊥代表垂直偏振光。可以看出，信号光S1和泵浦光P 在光纤线圈9中发生偏振交叉耦合，将原本偏振水平的信号光S0与偏振垂直的 泵浦光P分别变为垂直偏振和水平偏振。再经过半波片7的作用，将信号光S1 和泵浦光P引起的偏振交叉耦合光分别变为水平偏振和垂直偏振。最终信号光 S1和泵浦光P引起的偏振交叉耦合光直接从极化分束器5水平出射，实现信号 光S1、泵浦光P与其偏振交叉耦合光的分离，从而可以有效消除偏振交叉耦合 光的干扰。

如图1-图2所示，在本发明提出的利用光与作用介质单元的非线性作用过 程消除全光Sagnac干涉仪中寄生光的方法中，利用偏振正交的泵浦光和信号光 与作用介质单元发生非线性作用过程，产生物质相干性与泵浦光、信号光之间的 相位和强度关联。同时，将非线性作用过程与光纤线圈的Sagnac效应结合，通 过控制信号光与泵浦光在光纤线圈的偏振特性，使其与背向散(反)射和偏振交 叉耦合等引起的寄生光在偏振态上分离，从而可以有效消除寄生光的干扰，为高 精度测量发展提供了新途径。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并 不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行 的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范 围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。