本发明涉及一种光偏振方向调制组件与光学干涉相结合来对光偏振微小转角进行检测的装置及方法。激光器产生的光束经分束器、起偏器后变成两束线偏振光，其中一束光经过旋光介质后其偏振方向会附加微小转角，另一束光经光偏振方向调制组件后其偏振方向被调制，之后两束光经消偏振分光棱镜及检偏器变成两束相干光束，进入光电探测器转变为电信号，数字处理器用于对电信号中与调制组件调制频率一致的一次谐波及其二次谐波信号进行提取计算，实现光偏振微小转角的测量。本发明将光偏振方向调制检测方法与光学干涉相结合，实现对光偏振微小转角信号的光学放大，可用于原子自旋磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器对光偏振微小转角的精密测量。
1.一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置，其特征在于：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Sω、二次谐波信号S2ω进行提取，并通过以下两种方案之一计算光偏振微小转角θ：Is为第一光束的光强，或 其中θ0为预先标定好的微小转角，S0
2.根据权利要求1所述的光偏振微小转角的光学干涉检测装置，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的光偏振微小转角的光学干涉检测装置，其特征在于：所述旋光介质(6)为使线偏振光偏振方向产生旋转的媒介。
4.根据权利要求1所述的光偏振微小转角的光学干涉检测装置，其特征在于：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。
5.一种光偏振微小转角的光学干涉检测方法，其特征在于：利用权利要求1所述的光学干涉检测装置，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:
A.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器(8)后的光强信号最强；
C.用数字处理器(10)的锁相放大器模块提取电信号中频率为ω、2ω的一次谐波信号Sω、二次谐波信号S2ω；
(2)采用第二种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下:
A.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器(8)后的光强信号最强；
B.通过预先标定好的微小转角θ0和一次谐波信号幅值S0，计算微小转角和一次谐波信号之间的比例系数，即:S0＝Kθ0
C.利用数字处理器(10)的锁相放大器模块提取到的一次谐波信号Sω计算光偏振微小转角θ，有：从而实现对微小转角θ的测量。
一种光偏振微小转角的光学干涉检测装置及方法
技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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
[0004] 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。
[0005] 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Sω、二次谐波信号S2ω进行提取，并通过以下两种方案之一计算光偏振微小转角Is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。
[0006] 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。
[0007] 所述旋光介质6为使线偏振光偏振方向产生旋转的媒介。
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] （1）采用第一种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下：
[0011] A.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器8后的光强信号最强；
[0012] B.测量第一光束的光强Is；
[0013] C.用数字处理器10的锁相放大器模块提取电信号中频率为ω、2ω的一次谐波信号Sω、二次谐波信号S2ω；
[0014] D.计算光偏振微小转角：
[0015]
[0016] 从而实现了对光偏振微小转角θ的测量。
[0017] （2）采用第二种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下：
[0018] A.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器（8）后的光强信号最强；
[0019] B.通过预先标定好的微小转角θ0和一次谐波信号幅值S0，计算微小转角和一次谐波信号之间的比例系数，即：
[0020] S0＝Kθ0
[0021] 比例系数：
[0022]
[0023] C.利用数字处理器10的锁相放大器模块提取到的一次谐波信号Sω计算光偏振微小转角θ，有：
[0024]
[0025] 从而实现对光偏振微小转角θ的测量。
[0026] 本发明的原理：对于第一光束，起偏器出射点的电矢量复振幅记为：
[0027]
[0028] 其中，起偏器振动方向为x方向，Ax为第一光束的电矢量振幅，gx为T＝0时刻第一光束在起偏器出射点位置处的初相，经过旋光介质后振动方向会附加一微小转角θ，之后经消偏振分光棱镜、检偏器后变为第二光束，第二光束在检偏器出射点位置处的电矢量复振幅为：
[0029]
[0030] 其中，检偏器振动方向为y方向，gy为T＝0时刻第二光束在检偏器出射点位置处的初相，由于θ为微小转角，θ＜＜1，有：
[0031]
[0032] 对于第三光束，起偏器出射点的电矢量复振幅记为：
[0033]
[0034] 其中，Bx为第三光束的电矢量振幅，hx为T＝0时刻第三光束在起偏器出射点位置处的初相，经过线偏振方向调制组件后振动方向被调制，之后经消偏振分光棱镜、检偏器后变为第四光束，第四光束在检偏器出射点位置处的电矢量复振幅为：
[0035]
[0036] 其中，α为光偏振调制组件的调制幅度，ω为光偏振调制组件的调制频率，hy为T＝0时刻第四光束在检偏器出射点位置处的初相，α＜＜1，有：
[0037]
[0038] 第二光束 、第四光束 为两束相干光束，二者合成一束干涉光进入光电探测器，在光电探测器上的总电场矢量：
[0039]
[0040] 有：
[0041]
[0042] 光场总强度记为：
[0043] I＝I1+I2+I12
[0044] 其中，第一项：
[0045]
[0046] 为第二光束光强；第二项：
[0047]
[0048] 为第四光束光强；第三项：
[0049]
[0050]
[0051] 为干涉项，是两相干光束的干涉光强，δ＝gy-hy为第二光束、第四光束在检偏器出射点位置处的相位差。
[0052] 微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器后的光强信号最强，此时有：
[0053] cosδ＝1
[0054]
[0055] 数字处理器的锁相放大器模块提取I中一次谐波信号部分的幅值：
[0056] Sω＝AxBxαθ
[0057] 以及二次谐波信号部分的幅值：
[0058]
[0059] 则可以通过：
[0060]
[0061] 来计算光偏振的微小转角θ，其中，Is为测量得到的第一光束的光强；也可以通过预先标定好的微小转角θ0及其对应的一次谐波信号S0之间的比例关系：
[0062]
[0063] 计算：
[0064]
[0065] 实现对光偏振微小转角θ的测量。由上述公式可知，可以通过增加第三光束的光强实现对有用检测信号部分的光学放大。
[0066] 本发明装置及方法与现有的法拉第检测技术相比具有的优点在于：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，通过一束比检测信号光强更强的参考信号与原有检测信号的干涉作用，可显著提高光学检测信号的强度，原理清晰，方法简单，整个装置具备小型化、集成化、易于使用的特点。运用本发明装置及方法可以实现原子磁强计、原子自旋陀螺仪等仪器中对光偏振微小转角的精密测量，解决其中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。
附图说明
[0067] 图1为本发明检测装置的光路和结构示意图。
具体实施方式
[0068] 如图1所示，本发明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。
[0069] 如图1所示，本发明检测方法的具体实施步骤如下：
[0070] 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，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的一次谐波信号Sω、二次谐波信号S2ω进行提取，可以通过以下两种方案之一求解光偏振微小转角θ。
[0071] ①采用第一种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下：
[0072] a.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器8后的光强信号最强；
[0073] b.测量第一光束的光强Is；
[0074] c.用数字处理器10的锁相放大器模块提取电信号中频率为ω、2ω的一次谐波信号Sω、二次谐波信号S2ω；
[0075] d.计算光偏振微小转角：
[0076]
[0077] 实现对光偏振微小转角θ的测量。
[0078] ②采用第二种方案计算光偏振微小转角θ的步骤如下：
[0079] a.微调第一光束、第三光束的有效光程，使得检偏器8后的光强信号最强；
[0080] b.通过预先标定好的微小转角θ0和一次谐波信号幅值S0，计算微小转角和一次谐波信号之间的比例系数，即：
[0081] S0＝Kθ0 （2）
[0082] 比例系数：
[0083]
[0084] c.利用数字处理器10的锁相放大器模块提取到的一次谐波信号Sω计算光偏振微小转角，有：
[0085]
[0086] 实现对光偏振微小转角θ的测量。
[0087] 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。
