[发明专利]一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法，可作为原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器设备中对光偏振微小转角的精密测量装置及方法，同时还可用于磁光晶体维尔德系数等参数的精密测量。

背景技术

基于Sagnac效应的光纤陀螺仪利用两束光相位差变化引起光学干涉信号的变化实现对载体转动信号的精密测量。目前光纤陀螺仪大都采用压电陶瓷光纤相位调制器对光的相位进行调制，由载体转动引起的两束光的相移通过锁相放大器模块进行提取，从而得到载体的转动信号，即，利用光学干涉通过调制光的相位来检测光相位的变化。

最近兴起的原子磁强计及原子自旋陀螺仪主要通过检测线偏振态检测光振动方向的微小转动进行测量，测量方法主要包括：法拉第调制检测方法、光弹性调制检测方法、偏振分光棱镜差分检测方法。与光弹性调制检测方法和偏振分光棱镜差分检测方法相比，法拉第调制检测方法拥有更高的检测灵敏度，因此在原子磁强计及原子自旋陀螺仪等精密测量仪器中有着极其重要而又广泛的应用。常用的法拉第调制检测方法通常仅采用一束线偏振态的检测光进行检测，通过法拉第调制器调制检测光的振动方向实现由原子引起其振动方向微小转动的测量，即，通过调制光的振动方向来检测光振动方向的微小变化。为实现高灵敏的磁场与惯性测量，在目前原子磁强计及原子自旋陀螺仪的科学研究中检测光的光强通常都比较弱，而且通常仅采用一束线偏振光进行检测，并没有采用光纤陀螺仪中通过两束光的光学干涉加以测量的方案，导致有用的检测信号部分比较弱，这在一定程度上限制了其检测灵敏度的进一步提高。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法，其在现有法拉第调制检测方法基础之上，结合光学干涉现象可增强信号强度的优势，通过一束比检测光光强更强的参考光与其的光学干涉作用，可显著提高有用光学信号的强度，解决因检测信号光强较弱限制高灵敏磁场与惯性测量灵敏度进一步提高的问题，实现原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中对光偏振微小转角的精密测量。本发明的第一目的是提供一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置，第二目的是提供一种前述装置的具体检测方法。

为本发明的第一目的而采用的技术方案如下：一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置，包括激光器1、分束器2、第一二分之一波片3、第一反射镜4、第一起偏器5、旋光介质6、消偏振分光棱镜7、检偏器8、光电探测器9、数字处理器10、光偏振方向调制组件11、第二起偏器12、第二二分之一波片13和第二反射镜14；第一起偏器5放置在第一反射镜4的后侧，第二起偏器12放置在第二反射镜14的后侧，第一起偏器5和第二起偏器12的透光方向均与检偏器8的透光方向垂直；消偏振分光棱镜7是反射率/透射率为50/50的消偏振分光棱镜；分束器2、第一二分之一波片3、第一起偏器5、第二二分之一波片13与第二起偏器12配合使用以调节第一光束、第三光束的光强，同时需保证第三光束的光强大于第一光束的光强；激光器1产生的光束经分束器2分成两束光，其中一束光经第一二分之一波片3、第一反射镜4、第一起偏器5后变为第一光束，第一光束经过旋光介质6后其偏振方向会附加一微小转角，之后经消偏振分光棱镜7、检偏器8变为第二光束，另外一束光经第二反射镜14、第二二分之一波片13、第二起偏器12后变为第三光束，第三束光经光偏振方向调制组件11、消偏振分光棱镜7、检偏器8变为第四光束，第二光束和第四光束为两束干涉光束，二者合成一束光进入光电探测器9，干涉光强信号经光电探测器9转变为电信号，光偏振微小转角的变化会引起电信号中与光偏振方向调制组件11调制频率一致的一次谐波信号强度的变化，数字处理器10的锁相放大器模块用于对电信号中频率为ω、2ω的一次谐波信号S_ω、二次谐波信号S_2ω进行提取，并通过以下两种方案之一计算光偏振微小转角I_s为第一光束的光强，或其中θ₀为预先标定好的微小转角，S₀为其对应的一次谐波信号幅值。

所述分束器2为消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜或者其它具有分光功能的光学器件。

所述旋光介质6为使线偏振光偏振方向产生旋转的媒介。

所述光偏振方向调制组件11是法拉第调制器或电光调制器等对线偏振光振动方向进行调制的器件。

为本发明的第二目的而采用的技术方案如下：一种光偏振微小转角的光学干涉检测方法，通过以下两种计算光偏振微小转角的方案之一来实现：

（1）采用第一种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下：