一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法技术

一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，根据原子自旋对磁场或光场调制的响应信号，结合小波分析数据降噪和增量型PID控制算法，通过实时改变光路中四分之一波片的光轴角，实现旋光角检测误差快速实时补偿。本方法合理、通用，实验操作简单，不受限于光路的复杂性，可适用于各类基于旋光角检测系统的场景应用。统的场景应用。统的场景应用。

【技术实现步骤摘要】
一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法


[0001]本专利技术涉及原子传感器的光学检测
，尤其涉及高精度旋光角检测领域，具体涉及一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，可实现作用至原子自旋进动的激光偏振度的精密调控与补偿，消除由光偏振波动导致的额外原子极化，从而抑制旋光角检测误差。

技术介绍

[0002]基于远失谐线偏振光的旋光角检测方式是一种原子层面非破坏的检测方式，在面向前沿物理探索、量子存储、医疗健康监测、民众生活等多领域中广泛应用。为抑制各类低频随机噪声，旋光角检测常结合高频调制晶体一起使用。含有高频调制器的旋光角检测系统光学器件多，光路较为复杂，因此更容易受安装偏差、环境噪声等随机误差干扰，使得作用至原子自旋进动的激光偏振度发生未知变化，从而影响旋光角检测系统的精度和灵敏度。现阶段在实验上抑制由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方式，是采用高消光比的线偏振光学器件来保证检测光线偏振度，但由于原子封装在密闭磁屏蔽系统内，无法准确确定作用至原子的检测光偏振度情况。并且利用线偏振光学器件使检测光保持线偏振过程是开环方式，是在基于原子自旋进动磁测量或者惯性测量实验之前进行，无法在工作状态下进行，也无法对环境噪声导致的光偏振度变化及时做出调整。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中的缺陷或不足，提出一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，可以在旋光角测量过程中实时补偿检测光偏振度，从而稳定、有效地抑制由检测光引起的旋光角检测噪声。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，包括利用旋光角检测系统中原子自旋对磁场或光场调制的响应信号，以及进动信号的斜率或变化量差值，结合小波分析数据降噪和增量型PID控制算法，通过实时改变光路中1/4波片的光轴角，实现旋光角检测误差快速实时补偿。
[0006]包括以下步骤：
[0007]步骤A，旋光角测量前的调试校准；
[0008]步骤B，旋光角测量中的实时补偿。
[0009]所述步骤A中包括：
[0010]步骤A1，开启旋光角检测系统，遮挡抽运光，对准检测光；
[0011]步骤A2，在原子气室区域内施加横向调制磁场；
[0012]步骤A3，光电信号的探测与解调；
[0013]步骤A4，根据原子自旋对磁场调制的响应信号形成响应曲线，对所述响应曲线进行降噪并拟合；
[0014]步骤A5，判断拟合后的响应曲线斜率是否等于零，如果是，则说明已经实现旋光角测量前的调试校准并结束流程，如果否，则利用PID控制模块控制电控波片架中的1/4波片进行光轴旋转后返回步骤A4。
[0015]所述步骤A1中的旋光角检测系统包括检测光光路上依次设置的检测激光器、检测光光束整形与光强稳定模块、检测线偏振器件、检测光高频调制器、带有电控波片架的1/4波片、原子气室、检偏振器和光电探测器，所述光电探测器连接锁相放大器模块，所述锁相放大器模块一路通过PID控制模块连接所述电控波片架，另一路连接所述检测光高频调制器，所述原子气室位于无磁加热系统内，所述无磁加热系统位于磁屏蔽系统内，所述原子气室抽运光入射侧依次通过圆偏振器件、抽运光光强控制模块和抽运线偏振器件连接抽运激光器。
[0016]所述步骤A1中包括：遮挡抽运光情况下进行检测光路对准，打开检测激光器，根据检测激光位置，将检测光光束整形与光强稳定模块、检测线偏振器件、检测光高频调制器、四分之一波片、原子气室、检偏振器、光电探测器的中心对准；所述检测线偏振器件的光轴对准y方向；所述1/4波片的光轴对准y方向，安装在电控波片架上；所述原子气室放置于磁屏蔽系统与无磁加热系统中心；所述检偏振器的光轴对准z方向。
[0017]所述步骤A2中包括：在原子气室区域内，施加已知频率和幅值的正弦调制磁场B
mod
＝B0sin(ω
mod
t)，磁场方向对准y向或z向，所述正弦调制磁场由磁屏蔽系统中的匀场线圈产生，所述调制磁场的频率ω
mod
为10
‑1Hz量级，幅值B0为10
‑8T量级，t是时间。
[0018]所述步骤A3中包括：当检测光偏振波动时，根据光电探测器上测量的旋光角信号，利用参考信号，在锁相放大器模块内提取出基频信号V
signal
：
[0019][0020]其中η为光电探测器与锁相放大器的转换效率，R
tot
为气室内原子总弛豫率，R
pr
为检测光对原子的抽运率，s
pr
为检测光光子自旋，其数值正比于1/4波片二倍光轴角的正弦值，即γ为电子旋磁比，B
mod
为调制磁场，所述参考信号来自检测光高频调制器，其频率与调制器的调制频率相同。
[0021]所述步骤A4中包括：锁相放大器提取出的基频信号，利用小波阈值去噪算法进行信号降噪处理，所述信号降噪处理过程为：选择适当小波基，进行多级分解，得到相应的小波系数与尺度系数；根据每一级分解的系数，选择适当阈值，应用阈值收缩函数进行小波系数收缩；使用近似尺度系数与处理过的每级小波系数重建信号；根据降噪后的基频信号V
′
signal
，得到基频信号随调制磁场变化的变化量，即基频信号对调制磁场幅值的导数：
[0022][0023]所述步骤A5中包括：将基频信号对调制磁场幅值导数与设定值之差，输入PID模块进行增量型PID控制算法解析，其结果对应转变并输出给电控波片架的旋转角设定值；电控波片架内承载的1/4波片的光轴旋转，实现旋光角测量前的调试校准。
[0024]所述步骤B中包括：
[0025]步骤B1，打开抽运光，使得抽运光与检测光正交对准；
[0026]步骤B2，对抽运光光强进行调制；
[0027]步骤B3，光电信号的探测与解调；
[0028]步骤B4，根据原子自旋对光场调制的进动信号获得随抽运光变化的信号变化量；
[0029]步骤B5，判断信号变化量差值是否为零，如果是，则说明已经实现旋光角测量中的实时补偿并结束流程，如果否，则利用PID控制模块控制电控波片架中的1/4波片进行光轴旋转后返回步骤B4。
[0030]所述步骤B1中包括：打开抽运激光器，根据激光位置，将抽运线偏振器件、抽运光光强控制模块、圆偏振器件、原子气室的中心对准，同时将抽运光与检测光正交对准。
[0031]所述步骤B2中包括：对抽运光施加已知频率和幅值的正弦调制场R
pu
＝R
pu0
·
cosω
pu
t；所述正弦调制场由抽运光光强控制模块产生；所述调制场的频率ω
pu
为100Hz量级，调制幅值R
pu0
对应104/s量级。
[0032]所述步骤B3中包括：当检测光偏振波动时，光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，包括利用旋光角检测系统中原子自旋对磁场或光场调制的响应信号，以及进动信号的斜率或变化量差值，结合小波分析数据降噪和增量型PID控制算法，通过实时改变光路中1/4波片的光轴角，实现旋光角检测误差快速实时补偿。2.根据权利要求1所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，旋光角测量前的调试校准；步骤B，旋光角测量中的实时补偿。3.根据权利要求2所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，所述步骤A中包括：步骤A1，开启旋光角检测系统，遮挡抽运光，对准检测光；步骤A2，在原子气室区域内施加横向调制磁场；步骤A3，光电信号的探测与解调；步骤A4，根据原子自旋对磁场调制的响应信号形成响应曲线，对所述响应曲线进行降噪并拟合；步骤A5，判断拟合后的响应曲线斜率是否等于零，如果是，则说明已经实现旋光角测量前的调试校准并结束流程，如果否，则利用PID控制模块控制电控波片架中的1/4波片进行光轴旋转后返回步骤A4。4.根据权利要求3所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，所述步骤A1中的旋光角检测系统包括检测光光路上依次设置的检测激光器、检测光光束整形与光强稳定模块、检测线偏振器件、检测光高频调制器、带有电控波片架的1/4波片、原子气室、检偏振器和光电探测器，所述光电探测器连接锁相放大器模块，所述锁相放大器模块一路通过PID控制模块连接所述电控波片架，另一路连接所述检测光高频调制器，所述原子气室位于无磁加热系统内，所述无磁加热系统位于磁屏蔽系统内，所述原子气室抽运光入射侧依次通过圆偏振器件、抽运光光强控制模块和抽运线偏振器件连接抽运激光器。5.根据权利要求3所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，所述步骤A1中包括：遮挡抽运光情况下进行检测光路对准，打开检测激光器，根据检测激光位置，将检测光光束整形与光强稳定模块、检测线偏振器件、检测光高频调制器、四分之一波片、原子气室、检偏振器、光电探测器的中心对准；所述检测线偏振器件的光轴对准y方向；所述1/4波片的光轴对准y方向，安装在电控波片架上；所述原子气室放置于磁屏蔽系统与无磁加热系统中心；所述检偏振器的光轴对准z方向；所述步骤A2中包括：在原子气室区域内，施加已知频率和幅值的正弦调制磁场B
mod
＝B0sin(ω
mod
t)，磁场方向对准y向或z向，所述正弦调制磁场由磁屏蔽系统中的匀场线圈产生，所述调制磁场的频率ω
mod
为10
‑1Hz量级，幅值B0为10
‑8T量级，t是时间。6.根据权利要求3所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，所述步骤A3中包括：当检测光偏振波动时，根据光电探测器上测量的旋光角信号，利用参考信号，在锁相放大器模块内提取出基频信号V
signal
：
其中η为光电探测器与锁相放大器的转换效率，R
tot
为气室内原子总弛豫率，R
pr
为检测光对原子的抽运率，s
pr
为检测光光子自旋，其数值正比于1/4波片二倍光轴角的正弦值，即γ为电子旋磁比，B
mod
为调制磁场，所述参考信号来自检测光高频调制器，其频率与调制器的调制频率相同。7.根据权利要求3所述的在线补偿由光偏振波动导致的旋光角检测误差的方法，其特征在于，所述步骤A4中包括：锁相放大器提取出的基频信号，利用小波阈值去噪算法进行信号降噪处理，所述信号降噪处理过程为：选择适当小波基，进行多级分解，得到相应的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏凯，衡星，翟跃阳，徐子童，刘畅，全伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：