一种SERF共磁强计的偏振误差精确抑制方法

一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法
技术领域
1.本发明涉及serf共磁强计测量误差抑制技术，具体涉及一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，在检测激光模块中设置一个检测激光对应波长的半波片，通过转动半波片快慢轴，调节波片的位置和与检测激光的夹角，从三个自由度实现对检测激光的方位角及椭圆度的精确调节。通过调节到合适的方位角和椭圆度来减小检测噪声的波动和横向光抽运效应，最终实现对原子磁强计测量误差的抑制。


背景技术：

2.serf共磁强计，一种基于无自旋交换弛豫(spin-exchange relaxation-free，serf)的原子磁强计，该磁强计在不同的工作点上还可以作为惯性测量仪表使用，故称为serf共磁强计，又称为serf原子自旋共磁强计。
3.serf原子自旋共磁强计是一种广泛应用在测试洛伦兹和寻找异常自旋等基础物理的研究中的高精度磁强计。在共磁强计中原子系综的进动信号是由检测激光获得的，在以前的研究中，检测光被认为是理想线偏振光，对于系统不具有破坏性，然而，随着研究的深入，非理想线偏振引起的横向光频移和横向光抽运，影响了电子自旋的方向和稳定性以及扩大检测光带来的其它的噪声。本发明人认为在检测光路中增加一个半波片，改变波片在检测光路中的位置、夹角及快慢轴角度，实现对检测激光的偏振状态进行精细的控制，可以抑制非理想线偏振光所带来的噪声，有利于降低检测光对serf共磁强计的影响，提高serf共磁强计的测量精度。有鉴于此，本发明人完成了本发明。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，通过在检测激光模块中设置半波片，其中半波片的位置、夹角及快慢轴角度将直接影响检测激光的偏振角和椭圆度。所述偏振误差是由检测光非理想线偏振引起的横向光位移和横向光抽运导致，波片能够实现对检测光偏振角和椭圆度的精确调节，进而实现对serf共磁强计偏振误差的精准抑制。
5.本发明的技术解决方案如下：
6.一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，包括在serf共磁强计中沿x轴的检测光光路上顺序设置检测光路第一半波片、格兰泰勒棱镜、检测光路新增半波片和碱金属气室，在所述碱金属气室的检测激光出光处设置偏振分析仪，由所述偏振分析仪精确确定检测激光偏振状态，根据所述检测激光偏振状态所对应的偏振误差，通过所述检测光路新增半波片精确调整检测激光进入所述碱金属气室的偏振方位角及椭圆度，使得偏振误差得到精确抑制后，移开所述偏振分析仪，在所述碱金属气室的检测激光出光处设置第二偏振分束器，所述检测激光通过第二偏振分束器进行分光，光电探测器分别将两束光转换为电信号并输入到差分电路的输入端，所述差分电路的输出端连接上位机。
7.所述检测光路新增半波片安装在镜架上，所述镜架具有对半波片进行水平和竖直
面上的调整功能。
8.所述碱金属气室周围自内而外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈与函数发生器相连接；所述抽运光由抽运激光器产生，通过第一凸透镜和第二凸透镜实现扩束，并通过第一反射镜将激光方向反射为沿z轴方向，再依次通过第一线偏振片、第一液晶可变相位延迟器、第二线偏振片、第二半波片、第一偏振分束器、第一四分之一波片进入所述碱金属气室。所述第一偏振分束器依次通过光电探测器和第一电控单元连接到所述第一液晶可变相位延迟器，实现对进碱金属气室前的抽运光功率密度实时测量并控制其稳定。
9.所述检测光由检测激光器产生，依次通过第三线偏振片、第二液晶可变相位延迟器、第四线偏振片、第二反射镜、检测光路第一半波片、格兰泰勒棱镜、检测光路新增半波片后进入碱金属气室。所述格兰泰勒棱镜再依次通过光电探测器和第二电控单元连接回所述的第二液晶可变相位延迟器，由此实现对检测光功率密度的实时测量并控制其稳定。
10.在serf共磁强计中，系统输出电压信号u表达式如下：
[0011][0012]
式中，k
pd
为光电探测器的转换系数，i为检测光光强，re为电子半径，c为光速，f为振荡强度，l为与检测光频率有关的洛伦兹函数，为检测光方向上的电子极化率，x轴正向为检测光传播方向，电子极化率瞬态解与时间t的关系式如下：
[0013][0014]
其中，r2表示电子自旋相关的磁场项；c1为积分常数；在中，e为自然对数底数，q为减慢因子，为电子总弛豫率；设rm为检测光光抽运率，与检测光光强有关，sm为检测光光抽运矢量，取决于光的椭圆度，由此，输出信号u表达式如下：
[0015][0016]
在所述输出信号u表达式中，当气室温度和抽运光功率确定时，r2、q和均为固定值，当检测光功率和频率确定时，i和l为固定值，所述偏振误差即是检测光偏振态所对应的sm造成的误差，而通过改变sm的值，被改变，进而改变u；当在无输入情况下，微调sm，有望不会受到检测光光强的影响，输出信号u因为检测光光强变化而导致的变化也会大幅降低，偏振误差得到抑制。
[0017]
包括抽运激光器，所述抽运激光器为分布式布拉格反射dbr激光器，所述dbr激光器提供泵浦光，该泵浦光被饱和吸收锁频技术锁定频率，泵浦光首先被一对平凸透镜扩展成一个8毫米的圆形光斑，以保证能尽可能的覆盖气室，然后被液晶可变相位延迟器模块稳定功率，最后被光隔离模块起偏成完全圆偏振光，然后进入碱金属气室；检测光来自检测激光器，所述检测激光器采用分布式反馈dfb激光器，检测光的光斑直径为1mm，探针光路具有与泵浦光路一样的光功率稳定模块，此外，在进入碱金属气室之前，使用格兰泰勒棱镜进行
再极化，以确保检测光的线性度。
[0018]
包括以下步骤：
[0019]
步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在160℃至190℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光模块发出的线偏振光束产生吸收；改变检测激光的注入电流，用光功率计测试检测光束经过碱金属气室的光强；记录不同注入电流下的光强值，实现对检测光强的标定；打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属的d1线中心；
[0020]
步骤2，将偏振分析仪设置于碱金属气室检测光出光处，调节半波片至偏振分析仪所得到光为偏振角45
°
和椭圆度为0的线偏振光；移开偏振分析仪，设置偏振分束器，使用上位机对serf共磁强计输出进行解算；对serf原子共磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁场为零，此时serf原子共磁强计进入正常工作状态；之后改变检测光的注入电流，实现对检测光光强的阶跃，记录该条件下的阶跃输出；
[0021]
步骤3，重复步骤2，微调半波片实现对椭圆度的微调，分别记录不同椭圆度下的检测光光强阶跃输出，找到相同检测光光强阶跃条件下，阶跃输出稳态值最小的椭圆度，此时为偏振误差被抑制得最好的条件。
[0022]
本发明的技术效果如下：本发明一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，通过在检测激光光路中增加一个半波片，精确调节检测激光的方位角和椭圆度，实现电子极化率对检测光光强的不敏感，大幅抑制输出信号对检测光光强的敏感度，实现偏振误差的精确抑制。
[0023]
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)目前对于偏振误差的研究并没有从系统的角度分析，大多数工作是对于横向光频移和光抽运的抑制，而此类抑制方法通常改变了共磁强计的工作点，会影响其他参量，如标度因数。本发明涉及的方法并不改变工作点，在不影响装置正常工作的状态实现对偏振误差的抑制。(2)本发明仅额外在检测光路中增加一枚半波片，没有过多增加器件和电路系统，可以适用于小型化的仪器。
附图说明
[0024]
图1为实施本发明一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法所涉及的serf原子共磁强计结构示意图。图1中包括检测光路新增半波片20可以精确的调整检测激光12进入碱金属气室21的偏振方位角及椭圆度，由偏振分析仪精确的确定检测光的偏振状态，所述的偏振误差可由半波片微调到合适的偏振态实现抑制。
[0025]
附图标记列示如下：1-抽运激光器；2-第一凸透镜；3-第二凸透镜；4-第一反射镜；5-第一线偏振片；6-第一液晶可变相位延迟器；7-第二线偏振片；8-第二半波片；9-第一电控单元；10-第一偏振分束器；11-四分之一波片；12-检测激光器；13-第三线偏振片；14-第二液晶可变相位延迟器；15-第四线偏振片；16-第二电控单元；17-第二反射镜；18-检测光路第一半波片；19-格兰泰勒棱镜；20-检测光路新增半波片(或第三半波片)；21-碱金属气室；22-无磁加热系统；23-三轴磁补偿系统；24-磁屏蔽桶；25-第二偏振分束器；26-差分电路；27-偏振分析仪；28-上位机；xyz-笛卡尔坐标系三轴(x轴，y轴，z轴)。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图(图1)和实施例对本发明进行说明。
[0027]
图1为实施本发明一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法所涉及的serf原子共磁强计结构示意图。参考图1所示，一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，包括在serf共磁强计中沿x轴的检测光光路上顺序设置检测光路第一半波片18、格兰泰勒棱镜19、检测光路新增半波片20和碱金属气室21，在所述碱金属气室21的检测激光出光处设置偏振分析仪27，由所述偏振分析仪27精确确定检测激光偏振状态，根据所述检测激光偏振状态所对应的偏振误差，通过所述检测光路新增半波片20精确调整检测激光进入所述碱金属气室21的偏振方位角及椭圆度，使得偏振误差得到精确抑制后，移开所述偏振分析仪27，在所述碱金属气室21的检测激光出光处设置第二偏振分束器25。所述检测激光通过第二偏振分束器25进行分光，光电探测器分别将两束光转换为电信号并输入到差分电路26的输入端，所述差分电路26的输出端连接上位机28。
[0028]
所述检测光路新增半波片20安装在镜架上，所述镜架具有对半波片进行水平和竖直面上的调整功能。所述碱金属气室21周围自内而外依次设置有无磁电加热系统22、三轴磁补偿线圈23和磁屏蔽桶24，所述三轴磁补偿线圈23与函数发生器相连接；所述抽运光由抽运激光器1产生，通过第一凸透镜2和第二凸透镜3实现扩束，并通过第一反射镜4将激光方向反射为沿z轴方向，再依次通过第一线偏振片5、第一液晶可变相位延迟器6、第二线偏振片7、第二半波片8、第一偏振分束器10、第一四分之一波片11进入所述碱金属气室21。所述第一偏振分束器10依次通过光电探测器和第一电控单元9连回到所述第一液晶可变相位延迟器6。所述检测光由检测激光器12产生，依次通过第三线偏振片13、第二液晶可变相位延迟器14、第四线偏振片15、第二反射镜17、检测光路第一半波片18、格兰泰勒棱镜19、检测光路新增半波片20后进入碱金属气室21。所述格兰泰勒棱镜19再依次通过光电探测器和第二电控单元16连接回所述的第二液晶可变相位延迟器14。
[0029]
一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，通过在检测激光模块中设置半波片，其中半波片的位置、夹角及快慢轴角度将直接影响检测激光的偏振角和椭圆度。所述偏振误差是由检测光非理想线偏振引起的横向光位移和横向光抽运导致，半波片能够实现对检测光偏振角和椭圆度的精确调节，进而实现对serf共磁强计偏振误差的精准抑制。
[0030]
参考图1所示，一种serf原子共磁强计偏振误差精确抑制方法的系统结构包括抽运激光模块和检测激光模块，在所述的检测激光模块光路中设置可以精确调节检测光线偏振态的半波片20，其中检测光的线偏振态会直接影响所述的共磁强计的偏振误差，使用半波片20将检测光调节至适当的方位角及椭圆度实现对共磁强计的偏振误差精确抑制。偏振误差分析采用如下的公式：
[0031]
在serf共磁强计中，系统输出电压信号u可以表示为：
[0032][0033]
式中，k
pd
为光电探测器的转换系数，i为检测光光强，re为电子半径，c为光速，f为振荡强度通常为3/2，l为与检测光频率有关的洛伦兹函数，为检测光方向上的电子极化率，x轴正向为检测光传播方向，电子极化率的瞬态解与时间t的关系可由以下公式写出：
[0034][0035]
其中，r2表示电子自旋相关的磁场项；c1为积分常数；在中，e为自然对数底数，q为减慢因子，为电子的总弛豫率，可以看作rm与其他弛豫项的和；rm为检测光光抽运率，与检测光光强有关；sm为检测光光抽运矢量，取决于光的椭圆度。由此，输出信号u可以写为：
[0036][0037]
根据u的输出表达式，当气室温度和抽运光功率确定时，r2、q和中除rm外的弛豫项为固定值。当检测光功率和频率确定时，i和l为固定值。因此，公式u中只有sm一个可调节量。
[0038]
所述偏振误差即是检测光偏振态所对应的sm造成的误差，而通过改变sm的值，可以被改变，进而改变u。当在无输入情况下，微调sm，p
xe
有望不会受到检测光光强的影响，输出u因为检测光光强变化而导致的变化也会大幅降低，偏振误差得到抑制。
[0039]
在实施例中，碱金属气室为直径10mm的球形气室，气室中混合着碱金属k和rb，以及2280torr(约为3个大气压)的
21
ne和40torr(约为0.05个大气压)的n2，其中k和rb的密度比为1:130。
[0040]
所述的抽运光模块包含dbr激光器1，dbr激光器1提供泵浦光，该泵浦光被饱和吸收锁频技术锁定频率。泵浦光首先被一对平凸透镜2、3扩展成一个8毫米的圆形光斑，以保证能尽可能的覆盖气室21。然后被液晶可变相位延迟器模块6稳定功率，最后被四分之一波片起偏成完全圆偏振光，然后进入碱金属气室21。所述的检测光模块使用一个dfb激光器12，dfb激光器提供了检测光，它的光斑直径为1mm。探针光路具有与泵浦光路一样的光功率稳定模块14。此外，在进入气室之前，使用格兰-泰勒棱镜19进行再极化，以确保检测光的线性度。所述碱金属气室周围自内而外依次设置有无磁电加热系统22、三轴磁补偿线圈23和磁屏蔽桶24，所述三轴磁补偿线圈与函数发生器相连接。
[0041]
所述偏振误差抑制使用的半波片20，安装在自制的镜架上，保证能进行水平和竖直面上的调整。
[0042]
一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在160℃至190℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光模块发出的线偏振光束产生吸收。改变检测激光的注入电流，用光功率计测试检测光束经过碱金属气室的光强。记录不同注入电流下的光强值，实现对检测光强的标定。打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属k的d1线中心。
[0044]
步骤2，将偏振分析仪设置于检测出光处，调节半波片至偏振分析仪所得到光为偏振角45
°
，椭圆度为0的线偏振光。移开偏振分析仪，设置偏振分束器25，使用上位机对serf共磁强计输出进行解算。对serf原子共磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁
场为零，此时serf原子共磁强计进入正常工作状态；之后改变检测光的注入电流，实现对检测光光强的阶跃，记录该条件下的阶跃输出。
[0045]
步骤3，重复步骤2，微调半波片实现对椭圆度的微调，分别记录不同椭圆度下的检测光光强阶跃输出。找到相同检测光光强阶跃条件下，阶跃输出稳态值最小的椭圆度，此时为偏振误差被抑制得最好的条件。
[0046]
一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于偏振误差的精准抑制。在所述的检测激光模块中设置检测激光对应波长的半波片，检测光通过半波片得到合适的偏振态以抑制偏振误差。
[0047]
所述偏振误差抑制使用的半波片，安装在镜架上，保证能进行水平和竖直面上的调整。
[0048]
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。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

技术特征：
1.一种serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，包括在serf共磁强计中沿x轴的检测光光路上顺序设置检测光路第一半波片、格兰泰勒棱镜、检测光路新增半波片和碱金属气室，在所述碱金属气室的检测激光出光处设置偏振分析仪，由所述偏振分析仪精确确定检测激光偏振状态，根据所述检测激光偏振状态所对应的偏振误差，通过所述检测光路新增半波片精确调整检测激光进入所述碱金属气室的偏振方位角及椭圆度，使得偏振误差得到精确抑制后，移开所述偏振分析仪，在所述碱金属气室的检测激光出光处设置第二偏振分束器，所述检测激光通过第二偏振分束器进行分光，光电探测器分别将两束光转换为电信号并输入到差分电路的输入端，所述差分电路的输出端连接上位机。2.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，所述检测光路新增半波片安装在镜架上，所述镜架具有对半波片进行水平和竖直面上的调整功能。3.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，所述碱金属气室周围自内而外依次设置有无磁电加热系统、三轴磁补偿线圈和磁屏蔽桶，所述三轴磁补偿线圈与函数发生器相连接。4.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，所述抽运光由抽运激光器产生，通过第一凸透镜和第二凸透镜实现扩束，并通过第一反射镜将激光方向反射为沿z轴方向，再依次通过第一线偏振片、第一液晶可变相位延迟器、第二线偏振片、第二半波片、第一偏振分束器、第一四分之一波片进入所述碱金属气室。所述第一偏振分束器依次通过光电探测器和第一电控单元连接到所述第一液晶可变相位延迟器，实现对进碱金属气室前的抽运光功率密度实时测量并控制其稳定。5.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，所述检测光由检测激光器产生，依次通过第三线偏振片、第二液晶可变相位延迟器、第四线偏振片、第二反射镜、检测光路第一半波片、格兰泰勒棱镜、检测光路新增半波片后进入碱金属气室。所述格兰泰勒棱镜再依次通过光电探测器和第二电控单元连接回所述的第二液晶可变相位延迟器，由此实现对检测光功率密度的实时测量并控制其稳定。6.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，在serf共磁强计中，系统输出电压信号u表达式如下：式中，k
pd
为光电探测器的转换系数，i为检测光光强，r
e
为电子半径，c为光速，f为振荡强度，l为与检测光频率有关的洛伦兹函数，为检测光方向上的电子极化率，x轴正向为检测光传播方向，电子极化率瞬态解与时间t的关系式如下：其中，r2表示电子自旋相关的磁场项；c1为积分常数；在中，e为自然对数底数，q为减慢因子，为电子总弛豫率；设r
m
为检测光光抽运率，与检测光光强有关，s
m
为检测光光抽运矢量，取决于光的椭圆度，由此，输出信号u表达式如下：
在所述输出信号u表达式中，当气室温度和抽运光功率确定时，r2、q和均为固定值，当检测光功率和频率确定时，i和l为固定值，所述偏振误差即是检测光偏振态所对应的s
m
造成的误差，而通过改变s
m
的值，被改变，进而改变u；当在无输入情况下，微调s
m
，有望不会受到检测光光强的影响，输出信号u因为检测光光强变化而导致的变化也会大幅降低，偏振误差得到抑制。7.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，包括抽运激光器，所述抽运激光器为分布式布拉格反射dbr激光器，所述dbr激光器提供泵浦光，该泵浦光被饱和吸收锁频技术锁定频率，泵浦光首先被一对平凸透镜扩展成一个8毫米的圆形光斑，以保证能尽可能的覆盖气室，然后被液晶可变相位延迟器模块稳定功率，最后被光隔离模块起偏成完全圆偏振光，然后进入碱金属气室；检测光来自检测激光器，所述检测激光器采用分布式反馈dfb激光器，检测光的光斑直径为1mm，探针光路具有与泵浦光路一样的光功率稳定模块，此外，在进入碱金属气室之前，使用格兰泰勒棱镜进行再极化，以确保检测光的线性度。8.根据权利要求1所述的serf共磁强计的偏振误差精确抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，关闭抽运激光器与光开关，根据碱金属原子种类调节无磁电加热系统使碱金属气室温度控制在160℃至190℃之间，此时碱金属气室将只对检测激光模块发出的线偏振光束产生吸收；改变检测激光的注入电流，用光功率计测试检测光束经过碱金属气室的光强；记录不同注入电流下的光强值，实现对检测光强的标定；打开抽运激光器与光开关，调节抽运激光器使其发射出的激光频率在碱金属气室中所含碱金属的d1线中心；步骤2，将偏振分析仪设置于碱金属气室检测光出光处，调节半波片至偏振分析仪所得到光为偏振角45
°
和椭圆度为0的线偏振光；移开偏振分析仪，设置偏振分束器，使用上位机对serf共磁强计输出进行解算；对serf原子共磁强计进行三维磁补偿，使碱金属气室感受到的磁场为零，此时serf原子共磁强计进入正常工作状态；之后改变检测光的注入电流，实现对检测光光强的阶跃，记录该条件下的阶跃输出；步骤3，重复步骤2，微调半波片实现对椭圆度的微调，分别记录不同椭圆度下的检测光光强阶跃输出，找到相同检测光光强阶跃条件下，阶跃输出稳态值最小的椭圆度，此时为偏振误差被抑制得最好的条件。

技术总结
一种SERF共磁强计的偏振误差精确抑制方法，通过在检测激光模块中设置半波片，其中半波片的位置、夹角及快慢轴角度将直接影响检测激光的偏振角和椭圆度。所述偏振误差是由检测光非理想线偏振引起的横向光位移和横向光抽运导致，半波片能够实现对检测光偏振角和椭圆度的精确调节，进而实现对SERF共磁强计偏振误差的精准抑制。差的精准抑制。差的精准抑制。


技术研发人员：范文峰 全家乐 魏瑶 全伟
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2022.11.24
技术公布日：2023/9/25