[发明专利]一种基于双消偏振分光棱镜的光功率稳定控制装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置及方法，首先将激光器输出的激光分为两束，其中一束作为液晶光功率稳定控制模块的输入，另一束激光入射到一个由辅助消偏振分光棱镜(NPBS)和两个光电探测器组成的分光比监测模块。分光比监控模块实时监测分光比波动，并将波动信号输入到光功率控制系统的电子控制单元中，电子控制单元根据分光比波动和反馈光功率信号计算光功率衰减器的控制电压，从而实现环境温度波动情况下的环外检测光功率稳定控制。本发明只需在原有光路中增加一个辅助的NPBS即可实现分光器件分光比波动误差抑制，在维持光路小型化的基础上进一步提高环外入射气室的检测光功率稳定性，提高SERF惯性测量精度。

技术领域

本发明涉及激光功率稳定控制技术领域，具体涉及一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置及方法，可用于SERF原子自旋惯性测量的检测系统，抑制环境温度变化引起的分光器件分光比波动误差，提高环外入射原子气室的检测光功率稳定性，减小SERF原子自旋惯性测量系统输出信号的漂移。

背景技术

随着量子技术的发展，利用原子自旋进行惯性测量是未来重要的发展方向之一，其中SERF原子自旋惯性测量系统的理论精度可达10^-8°/h，但目前实际达到的精度与理论精度之间存在较大差距，其中光功率波动误差是制约其精度进一步提升的主要误差源之一。因此研究高性能的检测光功率稳定控制具有重要意义。

SERF惯性测量中常用基于液晶的检测光功率稳定控制方案，该方案利用了一个分光器件进行分光且实现了反馈环内的有效光功率闭环控制，由于分光器件的分光比极易受环境温度波动影响，使处于反馈环外入射原子气室的检测光功率稳定性受到极大限制，难以实现高精度的惯性信号测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有液晶稳光功率方法只能有效稳定控制反馈环内光功率，而环外光功率控制精度易受温度影响的不足，提出一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，在保证光路小体积的前提下，抑制了由于环境温度波动导致的分光器件误差，显著提高了环外检测光功率稳定性，实现高精度的SERF原子自旋惯性测量。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于双消偏振分光棱镜的高精度光功率稳定控制装置，包括检测激光器、1/2波片、由第一格兰泰勒棱镜、液晶相位延迟器、第二格兰泰勒棱镜、第一消偏振分光棱镜、电控系统、参考电压和第三光电探测器构成的检测光功率稳定控制模块；原子气室、磁屏蔽筒、由第一光电探测器、第二消偏振分光棱镜、第二光电探测器、乘法器构成的检测系统分光器件误差实时抑制系统。检测激光器出射的检测激光经1/2波片和第一格兰泰勒棱镜分成两束，一束经液晶相位延迟器进入检测光功率稳定控制模块，并在第一消偏振分光棱镜处再次分成两束激光，一束由第三光电探测器探测转换为电信号后进行检测光功率的稳定闭环控制，另一束闭环控制环外光则入射至磁屏蔽筒中的原子气室中进行SERF原子自旋惯性信号的检测；经第一格兰泰勒棱镜分成的另一束激光入射至第二消偏振分光棱镜，并由第一光电探测器和第二光电探测器探测转为电信号，两路探测信号反馈至乘法器与由第三光电探测器探测的信号进行运算处理，实现分光器件的波动误差实时抑制，处理结果与参考电压进行对比产生误差信号，该误差使电控系统输出PID控制电压并作用在液晶相位延迟器上实现检测光功率的稳定闭环控制。

其中，第一格兰泰勒棱镜的透光轴要与第二格兰泰勒棱镜的透光轴垂直，二者处于消光状态；液晶的快轴与第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜的透光轴分别成45°，以构成检测光功率衰减器。

所述第一格兰泰勒棱镜可以选用偏振分光棱镜(PBS)替代，为保证高性能的光功率稳定效果，第二格兰泰勒棱镜则不能使用消光比较低的PBS替代。

所述第一消偏振分光棱镜与第二消偏振分光棱镜作为分光器件，也可以使用1/2波片加PBS或1/2波片加格兰泰勒棱镜等分光器件替代。