基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统

摘要

本发明公开了一种基于声光调制器的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统，该系统基于声光调制器对入射激光的调制衍射作用，通过闭环反馈控制以及系统光路设计可以实现激光功率稳定性、激光指向稳定性的大幅提升，结合声光调制器的频率可调脉冲光开关调制作用，实现对SERF原子磁强计信号检测功能。系统主要由激光器、声光调制器、分束镜、偏振分光棱镜、比例积分微分（PID）控制器、光电探测器、平衡光电探测器、信号发生器、数据采集分析系统、SERF原子磁强计系统组成，具有体积小、调试简便、激光稳定性优秀、系统噪声低、环境影响小、调制灵敏度高的优点，有助于提升SERF原子磁强计的测量灵敏度以及SERF原子磁强计的仪器化和小型化。

说明书

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体是一种基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统。

背景技术

目前SERF（Spin Exchange Relaxation Free，无自旋弛豫交换）原子磁强计因对抽运/检测激光的光频率、光偏振态的特殊要求，广泛采用调谐范围大、频率稳定的外腔半导体激光器，但作为一种高功率密度器件，电流、温度的起伏会直接导致激光器光功率的变化, 影响输出的准确性和稳定性，目前科研用半导体激光器的输出功率稳定性通常在1%~5%/h左右，毫瓦级的激光功率波动不能满足原子磁强计激光低噪声的需求；此外激光器工作时，由于温度及机械因素的影响，激光器输出光束的方向会产生一定程度漂移，从而影响激光在精密测量方面的应用。对于SERF原子磁强计这一超高灵敏磁场测量装置，光场是其一重要的噪声来源。抽运/检测激光强度一方面会影响光频移的大小，另一方面会影响电子自旋极化率，尤其是检测激光光功率大幅波动直接影响到磁强计检测信号，需要额外采取措施尽可能消除光噪声对信号检测提取的影响。激光指向的漂移也会影响测量装置激光与碱金属原子相互作用，进而影响SERF原子磁强计磁测量灵敏度。

声光调制器作为目前技术非常成熟的产品，具有消光比高、光传输损耗低、基本不受外界环境干扰、体积小等特性，且更为重要的是与其搭配的驱动器可以根据输入信号对调制器的声光晶体进行调制，通过反馈控制系统使其具有调节灵活性强，实时性好，稳定度高等优点。基于声光效应对入射激光的衍射机制设计的功率稳定系统，配合特殊光路设计实现光路指向稳定，运用声光调制器可被外部高频方波函数调制的特性，可同步实现SERF原子磁强计光旋角信号的探测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术问题，提供一种基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统。本发明具有激光传输稳定性好、光强波动噪声极低、检测系统结构简单、受环境振动及温度影响小等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 一种基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统，包括检测光激光器，偏振元件，SERF原子磁强计系统，偏振分光棱镜，声光调制器，声光调制器驱动器，四分之一波片，平凸透镜，平面反射镜，分束镜，光电探测器，PID控制器，偏振分光棱镜，平衡光电探测器，数据采集分析系统，信号发生器等。检测光激光器输出激光经偏振器件获得声光调制器所需偏振态后，入射到处于工作状态的声光调制器，透射激光被衍射为0级和1级衍射光，1级衍射光经由四分之一波片、平凸透镜、平面反射镜组成的“猫眼”光路系统原路返回声光调制器实现二次声光调制，大大提升光路激光指向稳定性。二次调制后的1级衍射光通过分束镜按比例分为两束激光，第一束作为SERF原子磁强计的检测激光穿过磁强计碱金属原子气室，用于探测原子磁强计的光旋角信号；第二束激光由光电探测器接收，作为PID控制闭环反馈的输入信号，通过实时反馈控制声光调制器驱动器输出射频功率实现1级衍射光功率的实时精准调控，进而得到功率稳定性波动小于1‰的检测激光输出，信号发生器产生的高频方波调制函数通过PID控制器的信号输入接口叠加输出到声光调制器的驱动器，对驱动器输出射频信号进行脉冲调制，进而实现对前述激光稳定型检测光的高频脉冲调制，透射的检测激光输出到磁屏蔽桶外部的平衡光电探测器进行数据分析，通过数据采集分析系统对探测器信号与信号发生器信号的调制解调，实现对SERF原子磁强计原子自旋进动信号的检测。

作为优选，所述检测光激光器自身输出激光功率稳定度为1%~5%/h。

作为优选，所述声光调制器基于布拉格衍射效应，即当光波入射到声光介质的角度满足一定条件时，经过声光介质后只有0级与1级衍射光存在，而其他各级衍射光由于在介质内发生相互干涉而相互抵消。

作为优选，所述的“猫眼”光路系统通过聚焦透镜与反射镜组合，形成“猫眼效应”使反射光完全原路反射回声光调制器。

作为优选，所述的分束镜根据光功率需要选型不同分光比例，且不对分束激光的偏振态产生影响。

作为优选，所述PID控制器通过输入的监测激光功率电压信号与设定的基准电压相比较，PID控制器调控误差电压信号后反馈输出给声光调制器驱动器，所述PID控制器用于叠加外部输入调制信号到驱动器，实现声光调制器函数调制。

作为优选，所述平衡光电探测器用于探测经偏振分光棱镜分束的两束偏振激光，其输出电信号由数据采集分析系统按声光调制器的调制频率解调，实现对原子磁强计的信号检测。

作为优选，所述数据采集分析系统包括锁相放大器、数据采集系统以及计算机，该数据采集分析系统用于对所述平衡光电探测器的输出信号的第一谐波分量进行放大提取并采集，利用快速傅里叶变换将时域采集到的数据转换为频域。

本发明所述的一种基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统，基于声光调制器对入射激光的调制衍射作用，通过闭环反馈控制以及系统光路设计可以实现激光功率稳定性、激光指向的稳定性大幅提升，结合声光调制器的频率可调脉冲光开关调制作用，实现对SERF原子磁强计信号检测功能，具有结构紧凑、调试简便、激光稳定性优秀、系统噪声低、环境影响小等特点，相比于基于法拉第调制器、光弹调制器等测量方法，基于声光调制的测量系统具有体积小、原理简单、调制灵敏度高等优点，有助于提升SERF原子磁强计的测量灵敏度以及SERF原子磁强计的仪器化和小型化。

附图说明

图1为本发明装置系统示意图；

附图1标记列示如下：1-抽运光激光器，2-起偏器，3-四分之一波片，4-平面反射镜，5-磁屏蔽桶，6-磁补偿线圈，7-隔热保温材料腔，8-无磁电加热装置，9-碱金属原子气室，10-检测光激光器，11-起偏器，12-偏振分光棱镜，13-声光调制器，14-光挡，15-四分之一波片，16-平凸透镜，17-平面反射镜，18-光挡，19-小孔光阑，20-分束镜，21-光电探测器，22-声光调制器驱动器，23-PID控制器，24-偏振片，25-二分之一波片，26-偏振分光棱镜，27-平面反射镜，28-平衡光电探测器，29-数据采集分析系统，30-信号发生器。

具体实施方式

下面通过附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提出一种基于声光调制的激光稳定型SERF原子磁强计信号检测系统，系统可实现激光功率稳定、激光指向稳定的同时进行高灵敏度、高稳定性地原子自旋进动信号检测，完整系统包括抽运光激光器1，起偏器2，四分之一波片3，平面反射镜4，磁屏蔽桶5，磁补偿线圈6，隔热保温材料腔7，无磁电加热装置8，碱金属原子气室9，检测光激光器10，起偏器11，偏振分光棱镜12，声光调制器13，光挡14，四分之一波片15，平凸透镜16，平面反射镜17，光挡18，小孔光阑19，分束镜20，光电探测器21，声光调制器驱动器22，PID控制器23，偏振片24，二分之一波片25，偏振分光棱镜26，平面反射镜27，平衡光电探测器28，数据采集分析系统29，信号发生器30。

所述抽运光激光器1发出抽运激光通过起偏器2、四分之一波片3得到满足磁强计系统要求的圆偏振激光，在平面反射镜4反射后实现对碱金属原子气室9内处于高温蒸汽化的碱金属原子的极化抽运。

所述检测光激光器10出射激光束经起偏器11、偏振分光棱镜12获得匹配声光调制器13所需的偏振态后，被声光调制器13衍射输出0级和1级衍射光，0级衍射光由光挡14遮挡，1级衍射光则经过四分之一波片15、平凸透镜16、平面反射镜17构成的“猫眼”系统，完成激光原路返回入射到声光调制器13，实现激光光路稳定。二次通过声光调制器后，再次通过偏振分光棱镜12、小孔光阑19获得新的1级衍射光。二次1级衍射光被偏振无关分束镜20按比例分为两束，一束直接被光电探测器21接收，光信号转换为电信号，输出到PID控制器23作为控制器的原始输入信号。

所述PID控制器23接收光电探测器21输出的原始电信号作为监测激光功率的电压信号，通过与控制器设定的基准电压相比较并自动调控误差电压信号后反馈输出给声光调制器驱动器22，实时精确自动调控声光调制器1级衍射光衍射效率，实现激光功率稳定。所述PID控制器23还可以叠加信号发生器30输入的高频调制信号到声光调制器驱动器22，实现对声光调制器13出射的二次1级衍射光的高频脉冲函数调制。

所述分束镜20分束获得的另一束衍射光则经由偏振片24获得磁强计所需检测光线偏振态后，穿过磁屏蔽桶5，透射过碱金属原子气室9。透射检测光经过二分之一波片25、偏振分光棱镜26产生两束不同强度的激光束，记为

其中为入射偏振分光棱镜26前的初始检测光光强，为携带光旋角信号，为信号发生器30输出到PID控制器23的方波调制函数：

其中D为调制信号占空比、为调制信号频率。两束激光束

即其输出电信号可由数字采集分析系统的锁相放大器按方波调制频率解调，实现对SERF原子磁强计原子自旋进动信号的检测。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。