光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法及稳频装置

摘要

光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法及稳频装置，该稳频方法对激光光源进行分光，并对较弱的光进行相位调制和倍频，使倍频光与原子相互作用产生光谱信号，处理后得到稳频信号反馈给激光光源，实现稳频。装置包括激光光源、光纤分束器、光纤相位调制器、倍频晶体、反射式集成原子光谱装置和稳频电路。光纤分束器对激光光源分光，光纤相位调制器和倍频晶体对较弱的分光进行相位调制和倍频，反射式集成原子光谱装置实现倍频光与原子相互作用，得到亚多普勒饱和吸收光谱电信号，稳频电路对光谱电信号处理产生稳频误差信号。本发明解决了光纤陀螺仪激光光源频率的短时抖动和长时漂移问题，提高了光纤陀螺仪的零偏稳定性和标度因数稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，具体而言，涉及一种用于光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法及稳频装置。

背景技术

光纤陀螺仪是利用光纤环路的Sagnac效应测量物体在惯性空间中的转动的固态惯性器件，通过对干涉条纹移动的测量实现对转动角度或角速度的测量，是重要的惯性导航设备。

在光纤陀螺仪中，干涉条纹的移动与转动角速度成正比，但当激光光源的频率发生抖动或漂移时，干涉条纹将产生与转动角速度无关的抖动或漂移，导致光纤陀螺仪的输出信号产生误差。在目前的光纤陀螺仪设计中一般通过温度和电流控制电路来稳定激光光源的频率，但激光光源频率的长时漂移仍然无法克服。

原子光谱是稳定激光光源频率的重要方法，成本低，且技术非常成熟，可以实现1MHz线宽的短时和长时激光频率稳定，解决激光光源的频率抖动和漂移问题，在精密测量领域有着极为广泛的应用。然而，由于光纤陀螺仪一般使用的是通讯波段(红外波段)的激光光源，而铷、钾等中性原子的光谱均位于近红外波段，这就使得原子光谱频率稳定技术难以在光纤陀螺仪中得到应用。

一直以来，光纤陀螺仪激光光源的频率稳定性问题无法得到有效的解决，严重阻碍了光纤陀螺仪零偏稳定性和标度因数稳定性等主要性能指标的提高，影响了高精度光纤陀螺仪的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法及稳频装置，解决光纤陀螺仪激光光源频率的长时漂移问题，提高光纤陀螺仪零偏稳定性和标度因数稳定性等主要性能指标的提高，促进高精度光纤陀螺仪的发展。

本发明的技术方案是：光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法，包括如下步骤：

步骤1：对激光光源出射光进行分光得到分光p和分光s，所述分光p的功率弱于分光s，分光s进入光纤陀螺仪；

步骤2：对分光p进行相位调制和倍频，得到原子光谱跃迁频率的倍频光；

步骤3：使倍频光与原子相互作用产生光谱信号；

步骤4：对光谱信号进行处理得到稳频信号，反馈到激光光源的电流控制上，实现通讯波段激光光源的闭环频率稳定。

所述激光光源的中心波长与原子光谱的跃迁波长存在倍频关系。

所述稳频方法的稳频装置，包括激光光源、光纤分束器、倍频晶体、反射式集成原子光谱装置和稳频电路，激光光源、光纤分束器、倍频晶体以及原子光谱单元依次通过光纤连接，反射式集成原子光谱装置、稳频电路、激光光源依次通过线束连接；

所述光纤分束器用于对激光光源进行分光得到分光p和分光s；倍频晶体用于对分光p进行倍频；反射式集成原子光谱装置实现倍频光与原子蒸汽相互作用，得到亚多普勒饱和吸收光谱信号，并将其转化为电信号输出给稳频电路；稳频电路利用Lock-in方法对接收的电信号进行处理，得到稳频信号，反馈到激光光源的电流控制上，实现通讯波段激光光源的闭环频率稳定。

还包括光纤相位调制器，所述光纤相位调制器通过光纤连接在光纤分束器和倍频晶体之间，用于对分光p进行相位调制，得到频率边带，所述频率边带通过倍频晶体倍频后的频率与原子光谱跃迁频率对应。

所述反射式集成原子光谱装置包括光纤接口、分光镜、原子气室、部分反射镜、第一光电探测器、第二光电探测器以及磁屏蔽封装器；所述第二光电探测器、部分反射镜、原子气室、分光镜和第一光电探测器在磁屏蔽封装器内依次排布，且第二光电探测器、反射镜、原子气室、分光镜和第一光电探测器的中心位于同一光轴，磁屏蔽封装器用于密封全部光路；所述光纤接口位于分光镜的一侧，且固定在磁屏蔽封装器上，光纤接口和分光镜的中心位于同一光轴；

所述倍频光经光纤接口入射到分光镜上，分光镜将约1/2功率的倍频光反射入原子气室，作为泵浦光与原子蒸汽相互作用，从所述原子气室透射的泵浦光被部分反射镜沿原光路反射，反射的光作为探测光被第一光电探测器接收并转化为电信号输出，部分反射镜的透射光作为参考光被第二光电探测器接收并转化为电信号输出。

所述光纤分束器的分光比为1：99—1：9。

所述稳频电路接收第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号，对接收的两个电信号作差得到减法信号，利用Lock-in方法对该减法信号进行处理，得到稳频信号。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明方法和装置通过倍频技术实现了对光纤陀螺仪红外通讯波段激光光源的近红外原子光谱频率稳定，解决了激光光源频率的短时抖动和长时漂移问题，提高了光纤陀螺仪的零偏稳定性和标度因数稳定性，促进了高精度光纤陀螺仪的发展。

(2)本发明的实现装置独立于光纤陀螺仪的光纤光路，最大程度的抑制了光纤陀螺仪噪声源的增加，极大的降低了新增稳频光路对光纤陀螺仪光纤光路稳定性的影响。

(3)本发明方法和装置不改变光纤陀螺仪的激光波段，增强了本发明与现有光纤陀螺仪技术的兼容性。

(4)本发明在激光光源的出射光经倍频晶体后不能直接被倍频至原子光谱跃迁频率的情况下，使用光纤相位调制器对分光p进行相位调制，得到通过倍频晶体倍频后产生对应原子光谱跃迁频率的频率边带，保证了该方法和装置对稳定激光光源频率的有效性和可靠性。

(5)本发明的实现装置中使用反射式集成原子光谱装置，该原子光谱装置使用反射式光路代替传统原子光谱的分束合束光路，大幅精简了光学元件，减少了噪声源，降低了原子光谱的空间体积,显著提高了原子光谱频率稳定的稳定性和集成性。

附图说明

图1为本发明实现装置示意图；

图2为本发明的反射式集成原子光谱装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明从原子光谱频率稳定技术出发，提出一种用于光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法和实现装置，通过倍频技术实现了对光纤陀螺仪红外通讯波段激光光源的近红外原子光谱频率稳定。

光纤陀螺仪通讯波段激光光源的稳频方法，包括如下步骤：

步骤1：对激光光源1进行分光得到分光p和分光s，所述分光p的功率弱于分光s，分光s进入光纤陀螺仪。

步骤2：对分光p进行相位调制和倍频，得到原子光谱跃迁频率的倍频光。

步骤3：使倍频光与原子相互作用产生光谱信号。

步骤4：利用稳频电子技术对光谱信号进行处理得到稳频信号，反馈到激光光源1的电流控制上，实现通讯波段激光光源1的闭环频率稳定。

激光光源1的中心波长与原子光谱的跃迁波长存在倍频关系，步骤三的原子采用铷原子或钾原子实现，即如果步骤三的原子采用的是铷原子，则激光光源1中心波长为1560nm，步骤二进行倍频后得到波长为780nm的倍频光。如果步骤三的原子采用的是钾原子，则激光光源1中心波长为1534nm，步骤二进行倍频后得到波长为767nm的倍频光。

上述稳频方法的实现装置，包括激光光源1、光纤分束器2、光纤相位调制器3、倍频晶体4、反射式集成原子光谱装置5和稳频电路6，激光光源1、光纤分束器2、光纤相位调制器3、倍频晶体4以及反射式集成原子光谱装置5依次通过光纤连接，反射式集成原子光谱装置5、稳频电路6、激光光源1依次通过线束连接。光纤分束器2的分光比为1：99-1：9，用于对激光光源1进行分光，得到分光p和分光s。光纤相位调制器3用于对分光p进行相位调制，产生频率边带，该频率边带倍频后的频率对应原子光谱跃迁频率。倍频晶体4用于对分光p或其边带进行倍频。倍频光在反射式集成原子光谱装置5中与原子蒸汽相互作用，产生亚多普勒饱和吸收光谱光信号，并由反射式集成原子光谱装置5将光信号转化为电信号输出给稳频电路6。

反射式集成原子光谱装置5采用带光纤接口的亚多普勒饱和吸收光谱的反射集成装置实现。采用光纤接口的亚多普勒饱和吸收光谱的反射集成装置包括光纤接口51、分光镜52、原子气室53、部分反射镜54、第一光电探测器55、第二光电探测器56以及磁屏蔽封装器57。分光镜52、原子气室53、部分反射镜54、第一光电探测55、第二光电探测器56位于磁屏蔽封装器57内，通过磁屏蔽封装器57密封全部光路；光纤接口51固定在磁屏蔽封装器57上。其中第二光电探测器56、部分反射镜54、原子气室53、分光镜52和第一光电探测器55依次排布，且第二光电探测器56、反射镜54、原子气室53、分光镜52和第一光电探测器55的中心位于同一光轴，光纤接口51位于分光镜52的一侧，且光纤接口51和分光镜52的中心位于同一光轴。倍频光通过光纤经光纤接口51进入磁屏蔽封装器57，分光镜52将约1/2功率的倍频光反射入原子气室53，作为泵浦光与原子蒸汽相互作用，将布居在共振吸收线对应的超精细结构能级基态上的原子抽运掉，使得原子蒸汽对泵浦光的吸收产生非线性烧孔。从原子气室53透射的泵浦光被部分反射镜54沿原光路反射，对原子蒸汽的烧孔光谱进行探测，是探测光。探测光沿原光路返回后被第一光电探测器55接收并将原子光谱光信号转化为电信号，部分反射镜54的透射光作为参考光被第二光电探测器56接收并转化为电信号。第一光电探测器55和第二光电探测器56的电信号通过线束传出给稳频电路6，稳频电路6对这两个电信号作差，并以该减法信号为基础进行Lock-in频率稳定。磁屏蔽封装57密封全部光路，光纤接口51固定在磁屏蔽封装57上。

稳频电路6使用Lock-in方法。具体过程是，稳频电路6对激光光源1的电流控制施加一个很小的正弦调制，即对激光光源1的频率进行微小调制，再将所得附加频率调制的光谱电信号(第一光电探测器和第二光电探测器输出的电信号作差后得到的减法信号)与正弦调制本身进行混频，并通过低频率波去掉混频信号中的高频成分，滤波后的光谱电信号在对应超精细能级跃迁的吸收峰处将产生频率梯度电信号，即频率稳定所需的误差信号(稳频信号)。一般将需稳定的频率设置在频率梯度电信号过零的位置，任何的频率变化都以一个大斜率的电压变化形式反馈给激光光源1的电流控制，将频率梯度电信号的电压拉回过零位置，即将激光光源1的频率拉回所被稳定的频率位置，从而实现基于近红外铷或钾原子光谱的红外通讯波段激光光源1的闭环频率稳定。

在激光光源1的出射光经倍频晶体4可以直接被倍频至原子光谱跃迁频率的情况下，稳频装置中可以不使用光纤相位调制器3。

本发明装置的一个具体实施例如下：

激光光源1采用分布反馈式(distributed feedback,DFB)半导体激光器，以选用的原子为铷原子为例，激光光源1中心波长为1560nm，光纤分束器2的分光比为1：99。光纤相位调制器3采用Thorlabs LN53S-FC，为10GHz LiNbO₃晶体相位调制器，FC/PC光纤接口。倍频晶体4采用适用于光纤光路的PPLN(Periodically-poled>3石英玻璃腔，内封装铷原子蒸汽，但未加入缓冲气体，压强10^-7Torr。稳频电路6使用Lock-in方法将光谱信号转化为稳频误差信号，反馈到激光光源1的电流控制上，实现频率稳定。

在本实施例中，激光光源1频率为ω，通过光纤分束器2后，按1：99的比例分光，较弱的分光p为激光光源1总功率的1％，用于频率稳定，较强的分光s为激光光源1总功率的99％，用于光纤陀螺仪。分光s通过光纤相位调制器3后，产生三个频率成分ω和ω±Δω，这三个频率成分均处于通讯波段。三个频率成分通过倍频晶体4后，倍频晶体4选择与自身相位匹配的一个频率成分(如ω+Δω)，将其倍频到铷原子的跃迁频率，其余两个频率成分仍处于通讯波段。在本实施例中对ω+Δω频率成分的光进行倍频，从倍频晶体4出射的频率为2ω+2Δω的倍频光，在进入反射式集成原子光谱装置5后与原子蒸汽相互作用，产生亚多普勒饱和吸收光谱信号。其余两个频率成分由于仍处于通讯波段，不会与原子蒸汽发生相互作用，因此不对光谱信号造成干扰。光谱信号被光电探测器接收，转化为电信号，并通过线束传输到稳频电路6。稳频电路6使用Lock-in方法，对激光光源1的电流控制施加一个很小的正弦调制，即对激光光源1的频率进行微小调制，再将所得附加频率调制的光谱电信号与正弦调制本身进行混频，并通过低频率波去掉混频信号中的高频成分，滤波后的光谱电信号在对应超精细能级跃迁的吸收峰处将产生频率梯度电信号，即频率稳定所需的误差信号。误差信号反馈到激光光源1的电流控制上，最终实现基于铷原子光谱的通讯波段激光光源1的频率稳定。

事实上，如果反射式集成原子光谱装置5采用其他结构的原子光谱(如亚多普勒偏振光谱或亚多普勒DAVLL光谱)，那么稳频电路6也可以直接使用PID等方法实现频率稳定。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。