本發(fā)明屬于高精度原子自旋磁場及慣性測量的，具體涉及一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、基于量子技術(shù)的精密測量儀器得益于其極高的靈敏度，近些年來得到廣泛的發(fā)展，特別是基于光抽運堿金屬原子技術(shù)的原子磁強計、原子陀螺儀、原子鐘等，并廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、磁場測量、零磁醫(yī)學(xué)和零磁生物學(xué)研究。上述量子精密測量儀器大多使用激光抽運堿金屬原子實現(xiàn)原子極化。極化率的穩(wěn)定與慣性測量和磁場測量的靈敏度和長期穩(wěn)定性密切相關(guān)。因此，提升電子極化率長期穩(wěn)定性具有重要意義。

2、電子極化率受激光光功率、頻率、光場分布、偏振態(tài)和氣室溫度等影響。根據(jù)光抽運原理，只有抽運激光中的圓偏振分量才起到抽運作用，而激光偏振態(tài)會因光路中器件自身、原子氣室、環(huán)境溫度與振動等影響使原有的圓偏振光逐漸發(fā)生退偏，進而導(dǎo)致電子極化率漂移。此外，傳統(tǒng)偏振測量方法需要多個光學(xué)器件，占據(jù)龐大的體積而且不易操作。對于微小型儀器，需要一種簡單易操作的抽運激光偏振態(tài)的實時檢測與閉環(huán)控制方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置及方法。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不增加額外光學(xué)器件，只需要用到光電探測器，操作簡單方便；利用抽運光經(jīng)過極化原子氣室的透射光強一階微分信號作為偏振態(tài)在線控制的反饋控制信號，且通過調(diào)制實現(xiàn)與其他信號的解耦，測量準(zhǔn)確度高且控制穩(wěn)定性好，抑制偏振態(tài)的長期漂移，有利于提升電子極化率長期穩(wěn)定性。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一方面，本發(fā)明提供一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，包括抽運激光器、磁光隔離器、擴束組件、起偏器、液晶相位延遲器、加熱烤箱、極化原子氣室、三維線圈、多層磁屏蔽筒、光電探測器、鎖相放大器、閉環(huán)控制模塊、加法器、信號發(fā)生器；其中，抽運激光器出射的光束依次經(jīng)過磁光隔離器、擴束組件、起偏器、液晶相位延遲器、極化原子氣室和光電探測器后到達鎖相放大器，鎖相放大器的輸出端連接所述閉環(huán)控制模塊，閉環(huán)控制模塊用于計算控制電壓信號，所述信號發(fā)生器分別產(chǎn)生參考信號輸入至鎖相放大器提供頻率基準(zhǔn)，產(chǎn)生調(diào)制信號輸入至所述加法器；所述加法器接收所述閉環(huán)控制模塊計算的控制電壓信號和信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號并相加后輸入液晶相位延遲器，控制所述液晶相位延遲器的相位延遲量實現(xiàn)偏振態(tài)閉環(huán)控制；

4、所述極化原子氣室位于加熱烤箱內(nèi)，且加熱烤箱外部貼有所述三維線圈；加熱烤箱、極化原子氣室、三維線圈放置于多層磁屏蔽筒內(nèi)。

5、進一步地，所述加熱烤箱為氮化硼材料圓柱體，中心存在球形空腔，用于放置球形的極化原子氣室，加熱烤箱表面對稱貼有雙絞柔性加熱膜，加熱膜外部貼有所述三維線圈，多層磁屏蔽筒在z軸方向開孔供抽運激光器出射的光束通過。所述磁光隔離器用于允許激光單向通過，并隔離后向反射激光；所述起偏器的透光軸沿x軸方向；所述液晶相位延遲器快軸與x軸呈45度夾角，用于根據(jù)控制電壓不同改變相位延遲量，使得激光偏振態(tài)從線偏振到圓偏振變化；所述極化原子氣室為球形玻璃，內(nèi)部充有鉀、銣和氖氣原子。

6、另一方面，本發(fā)明還提供一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制方法，包括以下步驟：

7、步驟1、使用所述加熱烤箱加熱極化原子氣室，并通過熱敏傳感器反饋溫度實現(xiàn)溫度閉環(huán)穩(wěn)定控制；使用精密信號發(fā)生器控制三維線圈進行磁場主動補償；

8、步驟2、所述信號發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號傳輸至加法器、產(chǎn)生參考信號傳輸至鎖相放大器提供頻率基準(zhǔn)；所述調(diào)制信號為，為調(diào)制幅度，為調(diào)制頻率，為液晶交流控制電壓的頻率，t為時間；

9、步驟3、所述光電探測器將獲取的透射光強信號轉(zhuǎn)化為電壓信號傳輸至鎖相放大器，鎖相放大器提取一階微分信號作為誤差信號傳輸至閉環(huán)控制模塊；所述透射光強和液晶交流控制電壓有效值存在偶函數(shù)關(guān)系；液晶交流控制電壓有效值為中心電壓時，誤差信號為零，激光偏振態(tài)為圓偏振；當(dāng)液晶交流控制電壓有效值小于中心電壓時，誤差信號為正值，當(dāng)液晶交流控制電壓有效值大于中心電壓時，誤差信號為負(fù)值；

10、步驟4、所述閉環(huán)控制模塊根據(jù)誤差信號計算液晶交流控制電壓有效值并傳輸至加法器，當(dāng)誤差信號為正時，增大液晶交流控制電壓有效值，誤差信號為負(fù)時減小液晶交流控制電壓有效值；所述加法器將調(diào)制信號和液晶交流控制電壓有效值相加之后施加至液晶相位延遲器。

11、本發(fā)明的有益效果為：

12、基于光吸收原理，僅用一個光電探測器探測抽運光經(jīng)過極化原子氣室的透射光強一階微分信號，并通過液晶相位延遲器同時實現(xiàn)調(diào)制與控制，實現(xiàn)抽運光偏振態(tài)的調(diào)制檢測與閉環(huán)控制。不增加額外的光學(xué)器件、操作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、測量準(zhǔn)確度高，可有效提升光抽運效率和電子極化率長期穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，其特征在于，包括抽運激光器（1）、磁光隔離器（2）、擴束組件（3）、起偏器（4）、液晶相位延遲器（5）、加熱烤箱（6）、極化原子氣室（7）、三維線圈（8）、多層磁屏蔽筒（9）、光電探測器（10）、鎖相放大器（11）、閉環(huán)控制模塊（12）、加法器（13）、信號發(fā)生器（14）；其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述加熱烤箱（6）為氮化硼材料圓柱體，中心存在球形空腔，用于放置球形的極化原子氣室（7），加熱烤箱（6）表面對稱貼有雙絞柔性加熱膜，加熱膜外部貼有所述三維線圈（8），多層磁屏蔽筒（9）在z軸方向開孔供抽運激光器（1）出射的光束通過。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述加熱烤箱（6）采用無磁交流電加熱，為極化原子氣室（7）提供所需的高溫工作條件；所述多層磁屏蔽筒（9）用于被動屏蔽外界磁場，所述三維線圈（8）用于主動補償剩余磁場。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，其特征在于，所述磁光隔離器（2）用于允許激光單向通過，并隔離后向反射激光；所述起偏器（4）的透光軸沿x軸方向；所述液晶相位延遲器（5）快軸與x軸呈45度夾角，用于根據(jù)控制電壓不同改變相位延遲量，使得激光偏振態(tài)從線偏振到圓偏振變化；所述極化原子氣室（7）為球形玻璃，內(nèi)部充有鉀、銣和氖氣原子。

5.一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1-4任一項所述的一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種光抽運原子氣室中激光偏振實時閉環(huán)控制裝置及方法，屬于高精度原子自旋磁場及慣性測量技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明基于原子自旋光抽運技術(shù)和一階微分控制技術(shù)，利用液晶相位延遲器實現(xiàn)對抽運光的偏振態(tài)調(diào)制，通過光電探測器檢測抽運激光透過極化原子氣室的光功率變化，采用鎖相放大器提取一階微分信號作為誤差信號，將抽運光偏振態(tài)穩(wěn)定控制在圓偏振點，實現(xiàn)激光偏振調(diào)制檢測與閉環(huán)控制。本發(fā)明有效提升了光抽運效率和電子極化率長期穩(wěn)定性，可廣泛應(yīng)用于包含光抽運原子氣室的量子精密測量儀器，如原子陀螺儀、原子磁強計、原子重力儀等，尤其適用于追求高度集成化的小型量子傳感器。

技術(shù)研發(fā)人員：段利紅,馬樂樂,劉清波,全偉
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19