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CN110608736A - 一种用于serf原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统 - Google Patents

一种用于serf原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统。该系统包括饱和吸收频率稳定系统和液晶激光功率稳定及光束整形系统两部分。饱和吸收频率稳定系统用于对SERF原子陀螺仪抽运光进行频率稳定，液晶激光功率稳定系统用于对SERF原子陀螺仪抽运光进行功率稳定，其中平顶光束整形模块用于对激光光斑进行整形，使其由能量高斯分布的激光变为能量均匀分布的平顶激光。本发明光路布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，为高精度小型化的SERF原子陀螺仪的研制提供了基础。

Description

一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统
技术领域
本发明涉及SERF原子陀螺仪的技术领域，具体涉及一种SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统，该激光稳频稳功率光路系统，光路布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，为高精度小型化的SERF原子陀螺仪的研制提供了基础。
背景技术
导航技术对国防建设和国民经济的发展具有重要意义。惯性导航是唯一的实时、自主、连续、隐蔽、没有时间地域限制、不受外部干扰的导航技术，被广泛用于国民经济和军事领域。陀螺仪是惯性导航系统的核心部件，是制约惯性导航系统性能提高的瓶颈。随着量子调控技术的发展，基于原子自旋特性的原子陀螺仪发展迅速。目前原子自旋陀螺仪已经得到原理验证，并被认为是下一代高精度陀螺仪的发展方向，具有重要的科学意义和工程实用价值。
激光器的频率和功率稳定是使用激光的诸多传感器的共性需求，对提高传感器的精度和灵敏度有着重要意义。半导体激光器作为SERF原子陀螺仪中抽运与检测激光的光源，自身功率波动大，必须采取措施改善激光功率稳定性，与此同时其频率的稳定性对SERF原子陀螺仪检测的灵敏度十分重要。饱和吸收稳频的精度很高，可以满足SERF原子陀螺仪的高精度需求，而液晶功率稳定技术可以适应小角度调制应用的PEM控制器的需要，改善激光功率稳定性。
目前的激光稳频稳功率光路系统虽然可以实现输出功率和频率均稳定的激光的需求，且精度较高，但是总体系统结构复杂，体积大，无法同时满足SERF原子陀螺仪的小型化和高精度需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提出一种SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统。该激光稳频稳功率光路系统采用饱和吸收稳频技术和液晶激光稳功率技术，布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，为高精度小型化的SERF原子陀螺仪的研制提供了基础。电控单元采用数字电路，具有参数调节方便，响应速度快等优点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统，包括饱和吸收频率稳定光路1、液晶激光功率稳定光路2。饱和吸收频率稳定光路1将光束分为两束，第一束用于饱和吸收稳频，第二束进入液晶激光功率稳定光路2实现稳功率。液晶激光功率稳定光路2将光束分为两束，第一束进行光束整形后用于输出频率和功率均稳定且光斑能量分布均匀的激光。第二束进入功率传递光路系统进行稳功率。
所述饱和吸收频率稳定光路1采用直线型饱和吸收光路，经过频率传递光路的抽运光通过电控单元对激光器的频率进行锁定。具体光路流程为：抽运激光器1-1输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(ISO)1-2转换为线偏振光，线偏振光通过第一半玻片(λ/2)1-3，由第一偏振分束器(PBS)1-4分为两束，一束进入液晶激光功率稳定光路2，一束经由第一反射镜1-5反射至分波片(GBS)1-6；分波片(GBS)1-6将抽运激光再次分为两束，一束经由钾原子气室1-7，第二反射镜1-8实现饱和吸收，另一束经由第一光电探测器(PD)1-9、前置放大电路1-10、稳频电控单元1-11实现激光器频率的稳定。
所述液晶激光功率稳定光路2是由饱和吸收频率稳定光路1中的第一偏振分束器(PBS)1-4分出的一束抽运光，经第三反射镜2-1、第二半波片(λ/2)2-2、液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3、检偏器2-4，其中液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3快轴与水平夹角为45°，检偏器2-4透光轴与水平夹角为90°，液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3快轴与检偏器2-4透光轴夹角为45°，二者一起构成液晶可变功率衰减器。通过旋转第二半波片(λ/2)2-2可以将原始入射光调整为水平偏振光。检偏器2-4的出射光经第三半波片(λ/2)2-5、第二偏振分束器(PBS)2-6分成两束正交线偏振光，其中一束线偏振光进入第二光电探测器(PD)2-7用于对输出光功率采样，采样的光电流信号经前置放大电路1-10反馈稳功率电控单元2-8实现激光器功率的稳定。另一束线偏振光光经过由平顶光束整形器(beam shaper)2-9得到一个频率和功率均稳定且能量分布均匀，边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑，经第四反射镜2-10反射后输出。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明对光路进行多重折叠设计，既能保证抽运激光稳频稳功率及光斑能量分布均匀的效果，又能节省SERF原子陀螺仪宝贵空间，利于其高精度小型化设计。
(2)本发明光路布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，为高精度小型化的SERF陀螺仪的研制提供了基础。
附图说明
图1为本发明用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率系统光路图。
图中：1为饱和吸收频率稳定光路，2为液晶激光功率稳定光路，1-1为抽运激光器，1-2为抽运光光电隔离器(ISO)，1-3为第一半波片(λ/2)，1-4为第一偏振分束器(PBS)。1-5为第一反射镜，1-6为分波片(GBS)，1-7为钾原子气室，1-8为第二反射镜，1-9为第一光电探测器(PD)，1-10为前置放大电路，1-11为稳频电控单元，2-1为第三反射镜，2-2为第二半波片(λ/2)，2-3为液晶可变相位延迟器(LCVR)，2-4为检偏器，2-5为第三半波片(λ/2)，2-6为第二偏振分束器(PBS)，2-7为第二光电探测器(PD)，2-8为稳功率电控单元，2-9为平顶光束整形器(beam shaper)，2-10为第四反射镜。
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。
本发明的具体实施结构如图1所示，本发明涉及一种用于SERF原子陀螺仪激光器稳频稳功率光路系统，包括饱和吸收频率稳定光路1、液晶激光功率稳定光路2。饱和吸收频率稳定光路1将光束分为两束，第一束用于饱和吸收稳频，第二束进入液晶激光功率稳定光路2实现稳功率。液晶激光功率稳定光路2将光束分为两束，第一束进行光束整形后用于输出频率和功率均稳定且光斑能量分布均匀的激光，第二束进入功率传递光路系统进行稳功率。
所述饱和吸收频率稳定光路1采用直线型饱和吸收光路，经过频率传递光路的抽运光通过电控单元对激光器的频率进行锁定。具体光路流程为：抽运激光器1-1输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(ISO)1-2转换为线偏振光，线偏振光通过第一半玻片(λ/2)1-3，由第一偏振分束器(PBS)1-4分为两束，一束进入液晶激光功率稳定光路2，一束经由第一反射镜1-5反射至分波片(GBS)1-6；分波片(GBS)1-6将抽运激光再次分为两束，一束经由钾原子气室1-7，第二反射镜1-8实现饱和吸收，另一束经由第一光电探测器(PD)1-9、前置放大电路1-10、稳频电控单元1-11实现激光器频率的稳定。
所述液晶激光功率稳定光路2是由饱和吸收频率稳定光路1中的第一偏振分束器(PBS)1-4分出的一束抽运光，经第三反射镜2-1、第二半波片(λ/2)2-2、液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3、检偏器2-4，其中液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3快轴与水平夹角为45°，检偏器2-4透光轴与水平夹角为90°，液晶可变相位延迟器(LCVR)2-3快轴与检偏器2-4透光轴夹角为45°，二者一起构成液晶可变功率衰减器。通过旋转第二半波片(λ/2)2-2可以将原始入射光调整为水平偏振光。检偏器2-4的出射光经第三半波片(λ/2)2-5、第二偏振分束器(PBS)2-6分成两束正交线偏振光，其中一束线偏振光进入第二光电探测器(PD)2-7用于对输出光功率采样，采样的光电流信号经前置放大电路1-10反馈至稳功率电控单元2-8实现激光器功率的稳定。另一束线偏振光光经过由平顶光束整形器(beam shaper)2-9得到一个频率和功率均稳定且能量分布均匀，边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑，经第四反射镜2-10反射后输出。
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。

Claims (3)

1.一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统，其特征在于：包括饱和吸收频率稳定光路(1)、液晶激光功率稳定光路(2)，饱和吸收频率稳定光路(1)将光束分为两束，第一束用于饱和吸收稳频，第二束进入液晶激光功率稳定光路(2)实现稳功率；液晶激光功率稳定光路(2)将光束分为两束，第一束进行光束整形后用于输出频率和功率均稳定且光斑能量分布均匀的激光，第二束进入功率传递光路系统进行稳功率。
2.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统，其特征在于：所述饱和吸收频率稳定光路(1)采用直线型饱和吸收光路，经过频率传递光路的抽运光通过电控单元对激光器的频率进行锁定，具体光路流程为：抽运激光器(1-1)输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(ISO)(1-2)转换为线偏振光，线偏振光通过第一半玻片(λ/2)(1-3)，由第一偏振分束器(PBS)(1-4)分为两束，一束进入液晶激光功率稳定光路(2)，一束经由第一反射镜(1-5)反射至分波片(GBS)(1-6)；分波片(GBS)(1-6)将抽运激光再次分为两束，一束经由钾原子气室(1-7)，第二反射镜(1-8)实现饱和吸收，另一束经由第一光电探测器(PD)(1-9)、前置放大电路(1-10)、稳频电控单元(1-11)实现激光器频率的稳定。
3.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子陀螺仪激光稳频稳功率光路系统，其特征在于：所述液晶激光功率稳定光路(2)是由饱和吸收频率稳定光路(1)中的第一偏振分束器(PBS)(1-4)分出的一束抽运光，经第三反射镜(2-1)、第二半波片(λ/2)(2-2)、液晶可变相位延迟器(LCVR)(2-3)、检偏器(2-4)，其中液晶可变相位延迟器(LCVR)(2-3)快轴与水平夹角为45°，检偏器(2-4)透光轴与水平夹角为90°，液晶可变相位延迟器(LCVR)(2-3)快轴与检偏器(2-4)透光轴夹角为45°，二者一起构成液晶可变功率衰减器，通过旋转第二半波片(λ/2)(2-2)可以将原始入射光调整为水平偏振光，检偏器(2-4)的出射光经第三半波片(λ/2)(2-5)、第二偏振分束器(PBS)(2-6)分成两束正交线偏振光，其中线偏振光一束光进入第二光电探测器(PD)(2-7)用于对输出光功率采样，采样的光电流信号经前置放大电路(1-10)反馈至稳功率电控单元(2-8)实现激光器功率的稳定，另一束线偏振光光经过由平顶光束整形器(beam shaper)(2-9)得到一个频率和功率均稳定且能量分布均匀，边界陡峭，同时具有特定形状的平顶光斑，经第四反射镜(2-10)反射后输出。
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