一种消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置及方法

摘要

本发明公开了一种消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置及方法，该装置及方法基于光弹偏振调制技术、光偏振补偿技术及数字锁相放大技术，通过光电探测器及锁相放大器获得偏振调制检测输出信号的一次谐波分量，利用碱金属原子对垂直于检测光方向磁场的响应特性，精细调节四分之一波片的光轴方位角精确补偿光束偏振态以消除由此带来的偏振误差信号，补偿过程可通过数字示波器实时监控。本发明不仅应用在高灵敏原子磁场/惯性的高精度信号检测，而且也适用于高精度的微弱光旋角测量方面。

说明书

技术领域

本发明涉及光偏振测量与误差补偿的技术领域，尤其涉及高精度原子自旋磁场及惯性测量的技术领域，特别涉及一种消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置及方法。

背景技术

线偏振光旋角检测在原子自旋信号检测、生物检测、快速光谱成像等领域具有广泛的应用。特别是本发明涉及的原子自旋信号检测领域，线偏振光旋角检测具有较高的检测灵敏度及精度已经被应用于基础物理参数测量装置、极弱磁场测量装置及高精度长航时的原子惯性导航系统。而线偏振检测中残余圆偏振分量引入的检测误差极大破坏了光旋角测量的灵敏度及精度，因此需要一种高精度、易操作的可消除此干扰误差的装置及方法。

在现有技术[1](J.M.Brown,A New Limit on Lorentz-and CPT-Violating Neutron Spin Interactions Using a K-3He Comagnetometer,in Department of Physics,Princeton University,Princeton,2011)提到了采用超厚石英玻璃应力变化或者电光晶体的普克尔斯效应抑制残余圆偏振光分量的方法。这两种方法中前者靠被动控制石英玻璃的应力变化补偿光束中残余圆偏振分量，其控制精度不高且操作复杂；后者利用电光晶体的普克尔斯效应补偿圆偏振分量，补偿精度受限于电光晶体的偏振特性且电光晶体需要的交变驱动电场会产生磁场干扰影响正常信号测量。

发明内容

本发明目的在于提出一种消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置及方法，克服上述现有技术的不足。该装置简单结构紧凑，只需要用到精密可旋转的真零级四分之一波片，操作简单方便；利用检测光与碱金属原子相互作用的响应输出做为调节器件的反馈信号，补偿准确且精确高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置，该装置包括准直扩束检测激光源、光功率稳定模块、起偏器、光弹调制器、可变四分之一波片、光楔组件、待测碱金属气室样品、三维线圈、检偏器、光电探测器、光弹控制器、数字锁相放大器、数字示波器及信号采集与处理单元，其中，沿所述的准直扩束检测激光源出射的光束前进方向依次是光功率稳定模块、起偏器、光弹调制器、可变四分之一波片、光楔组件、待测碱金属气室样品、三维线圈、检偏器和光电探测器，所述的光弹控制器通过串口与所述的光弹调制器的控制端相连，所述的光弹控制器第一输出端接所述的数字锁相放大器的参考信号输入端，所述的光电探测器的输出端接所述的数字锁相放大器的信号输入端，经所述的数字锁相放大器解调的一次谐波信号输出端通过三通BNC转接头分别接数字示波器和信号采集与处理单元，该信号采集与处理单元的用于采集数字锁相放大器的输出信号，反馈控制程序用于稳定光功率变化。

所述的起偏器为高消光比的格兰泰勒棱镜，其振动轴沿x轴方向；光弹调制器的振动方向与起偏器呈45度夹角；可变四分之一波片为单点波长的真零级器件，其快轴方位角与起偏器偏振方向同轴；检偏器为高消光比的格兰泰勒棱镜其振动轴与起偏器透振方向垂直；光楔组件用于调节入射到球型碱金属气室中心轴线的光束位置；三维线圈对碱金属气室样品提供不同方位磁场。

所述的光弹控制器通过输入面板设定光弹调制器的峰值延迟量、调制频率和工作波长。

利用所述的消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置去除线偏振中残余圆偏振分量的方法，该方法包括以下步骤：

①将检测光波长对应的真零级可变四分之一波片安装在高分辨率可旋转的光学镜架内，可通过高精密旋转镜架控制器控制可变四分之一波片的转动；

②所述的光弹控制器通过输入前面板设定光弹调制器的峰值相位延迟量为0.09rad，所述的光电探测器记录从检偏器出射的光束光强并转化为电信号，该电信号输出至所述的数字锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器输出端与数字锁相放大器的参考信号输入端相连，数字锁相放大器的输出信号包含一次谐波分量和二次谐波分量，其中数字锁相放大器一次谐波输出信号通过BNC连接线输送至数字示波器；

③利用高精密电流源控制碱金属气室外围的三维线圈的磁场变化；

④当气室内碱金属原子未被极化时，数字锁相放大器输出信号的一次谐波分量V_1f输出可表示为：

V_1f∝s_mR_m

其中，s_m为光束偏振度，纯线偏振光时s_m＝0，纯圆偏振时s_m＝1，一般情况下介乎于两者之间；R_m为检测光对原子抽运率，线偏振检测光中存在圆偏振光抽运干扰时V_1f∝s_mR_m≠0；通过高精密电流源对三维线圈施加极化碱金属原子响应频率范围内的正弦信号，在数字示波器上观测锁相放大器一次谐波分量响应输出。通过高精密旋转镜架控制器在小范围内精调气室前可变四分之一波片的光轴位置，精确补偿圆偏振光分量，使得V_1f∝s_mR_m＝0，消除因线偏振检测光中残余的圆偏振分量引入的一次谐波误差信号。

本发明的技术效果如下：

在碱金属原子未被极化时，根据碱金属原子对检测光的响应信号，精确调整可变四分之一波片的光轴方位角，利用基于光弹调制偏振检测组件中的可变四分之一波片，不需要新增器件，装置简单，结构紧凑，容易操作。只需要一个锁相放大器及数字示波器，信号处理简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置实施结构框图；

图2为本发明实施方法步骤流程图；

图中附图标记含义为：1为准直扩束检测激光源，2为光功率稳定模块，3为起偏器，4为光弹调制器，5为可变四分之一波片，6为光楔组件，7为待测碱金属气室样品，8为三维线圈，9为检偏器，10为光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置实施结构框图。由图可见，本发明消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置由由准直扩束检测激光源1、光功率稳定模块2、起偏器3、光弹调制器4、可变四分之一波片5、光楔组件6、待测碱金属气室样品7、三维线圈8、检偏器9、光电探测器10及光弹控制器、高精密旋转镜架控制器、锁相放大器及数字示波器组成，其位置关系为：

沿所述的准直扩束检测激光源1出射的光束前进方向依次是光功率稳定模块2、起偏器3、光弹调制器4、可变四分之一波片5、光楔组件6、待测碱金属气室样品7、三维线圈8、检偏器9和光电探测器10。所述的可变四分之一波片5被安装在高精密旋转可自动控制的镜架内；所述的光弹控制器通过串口与所述的光弹调制器4的控制端相连，所述的光弹调制器4第一输出端接所述的数字锁相放大器的参考信号输入端，所述的光电探测器10的输出端接所述的数字锁相放大器的信号输入端，所述的数字锁相放大器一次谐波信号输出端通过三通BNC转接头分别接数字示波器和NI信号采集与处理单元，该信号采集与处理单元的用于采集数字锁相放大器的输出信号，反馈控制程序用于稳定光功率变化。

所述的起偏器3为高消光比的格兰泰勒棱镜，其振动轴沿x轴方向；光弹调制器的振动方向与起偏器呈45度夹角；可变四分之一波片5为单点波长的真零级器件，其快轴方位角与起偏器3偏振方向同轴；检偏器9为高消光比的格兰泰勒棱镜其振动轴与起偏器3透振方向垂直；待测碱金属气室样品7为球型碱金属气室，光楔组件6用于调节入射到球型碱金属气室中心轴线的光束位置；三维线圈通过高精密电流源对碱金属气室样品7提供不同方位的磁场。

本发明的最佳实施例的结构图如图1所示，其具体结构如下：所述的准直扩束检测激光源1为波长795nm的DFB半导体激光器，所述的光功率稳定模块2是液晶噪声衰减器配合偏振分光棱镜的控制组件，形成对光路中光功率的稳定控制以避免其功率波动淹没待消除的偏振误差信号；所述的起偏器3为方解石制成的格兰泰勒偏振棱镜其消光比优于10^-5；所述的光弹调制器4为Hinds>21Ne组成；所述的三维线圈8为赫姆霍兹线圈；所述的检偏器9为消光比优于10^-5的格兰泰勒棱镜；所述的光电探测器10由光电二极管和前置放大电路构成；所述的光弹控制器与光弹调制器4配套用来驱动光弹调制器4的振动；所述数字锁相放大器由瑞士ZI公司研制的HF2LI锁相放大器。

利用所述的消除线偏振光旋角检测中残余圆偏振分量的装置消除线偏振光中残余圆偏振成分的方法，包括下列步骤：

①将检测光波长对应的真零级四分之一波片安装在高分辨率可旋转的光学支架内，可通过高精密旋转镜架控制器控制四分之一波片的转动；

②所述的光弹控制器通过输入前面板设定光弹调制器4的峰值相位延迟量为0.09rad，所述的光电探测器10记录从检偏器9出射的光束光强并转化为电信号，该电信号输出至所述的数字锁相放大器的信号输入端，所述的光弹控制器输出端与数字锁相放大器的参考信号输入端相连，数字锁相放大器的输出信号包含一次谐波分量和二次谐波分量，其中数字锁相放大器一次谐波输出信号通过BNC连接线输送至数字示波器；

③利用高精密电流源控制碱金属气室样品7外围的三维线圈的磁场变化；

④当气室内碱金属原子未被极化时，数字锁相放大器输出信号的一次谐波分量V_1f表达式为：

V_1f∝s_mR_m

其中，s_m为光束偏振度，纯线偏振光时s_m＝0，纯圆偏振时s_m＝1，一般情况下介乎于两者之间；R_m为检测光对原子抽运率，线偏振检测光中存在圆偏振光抽运干扰时V_1f∝s_mR_m≠0；通过高精密电流源对三维线圈8施加极化碱金属原子响应频率范围内的正弦信号，在数字示波器上观测锁相放大器一次谐波分量响应输出。通过高精密旋转镜架控制器在小范围内精调气室前可变四分之一波片5的光轴位置，精确补偿圆偏振光分量，使得V_1f∝s_mR_m＝0，消除因线偏振检测光中残余的圆偏振分量引入的一次谐波误差信号。

本发明的工作原理如下：

碱金属气室原子自旋未被抽运极化或原子自旋已经弛豫时，此时碱金属原子系综自旋对外界磁场没有响应；然而因为线偏振检测光中残余的圆偏振分量存在一个对磁场(本发明提到的三维线圈8给定的调制磁场)的干扰响应，精确调整可变四分之一波片5的方位角发现此干扰信号存在过零的响应输出，其零点对应的可变四分之一波片5的方位角就是线偏振检测光中消除圆偏振分量对应的最佳位置，利用精密调整镜架锁定此时位置。

本发明中的精密旋转可变四分之一波片5可用液晶相位延迟器来替换，同样可实现消除线偏振光中残余圆偏振分量的目的。

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公知的现有技术。