消除全光Sagnac干涉儀中寄生光的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)及精密測量方法，尤其涉及一種全新的基于光與物質(zhì)非線性作用過程消除Sagnac干涉儀中寄生光的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性技術(shù)利用慣性原理實(shí)現(xiàn)運(yùn)動物理姿態(tài)和運(yùn)動軌跡測量與控制，是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測量等技術(shù)的總稱，是一項(xiàng)具有自主性好、信息全面、實(shí)時(shí)連續(xù)、抗干擾性強(qiáng)等特性的載體運(yùn)動信息感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中各類運(yùn)動載體慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)控制、定位定向、姿態(tài)穩(wěn)定以及過載傳感等慣性系統(tǒng)。作為慣性系統(tǒng)的核心，陀螺儀用于敏感運(yùn)動載體相對慣性空間的角運(yùn)動，測量載體的角位移和角速度，對慣性系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵作用。其中，基于Sagnac干涉儀的光纖陀螺具有高可靠性、長壽命、快速啟動、大動態(tài)范圍優(yōu)勢，精度可以覆蓋從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級，從軍用到民用的多種領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)慣性技術(shù)領(lǐng)域的主流陀螺儀之一。
[0003]傳統(tǒng)的Sagnac干涉儀的工作原理為從光源發(fā)出的激光束經(jīng)分束器分成兩束，在光纖環(huán)中相向傳播并再次返回到分束器，并形成干涉。當(dāng)光纖陀螺繞光纖環(huán)的法向軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于Sagnac效應(yīng)，兩束相向傳播的光束之間將產(chǎn)生光程差，進(jìn)而產(chǎn)生相位差，通過干涉測量的方法就可以測量出轉(zhuǎn)速。因此利用該光纖陀螺實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的前提為兩束相向傳播的光波必須滿足相干條件，即相同的偏振態(tài)，這將導(dǎo)致輸出的干涉信號的對比度很容易受到偏振衰落及偏振交叉耦合的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)角速度精確測量，光纖陀螺通常采用時(shí)間相干性弱的寬帶光源，用于減小光路中的背向散(反)射和偏振交叉耦合等寄生干涉。然而寬帶光源將會帶來光譜的形狀、譜寬等參數(shù)的不同，影響兩束光波的相干性。同時(shí)，利用寬帶光源的弱相干性特點(diǎn)，僅使背向散(反)射等寄生光與主光波之間不相干，而背向反射或背向散射等寄生干涉光之間的干涉并未得到有效抑制。另外，光路中的器件對不同波長的光波的衰減作用不同，導(dǎo)致返回的兩束光波光譜發(fā)生變化，相干性也發(fā)生變化。因此，光纖陀螺中偏振衰落、背向散(反)射和偏振交叉耦合等寄生光的有效抑制是光纖陀螺研制中的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對傳統(tǒng)Sagnac干涉儀寄生光的問題，本發(fā)明提供了一種全新的技術(shù)方案一一利用光與物質(zhì)非線性作用過程消除全光Sagnac干涉儀中寄生干涉。
[0005]本發(fā)明提供了一種消除全光Sagnac干涉儀中寄生光的方法，包括:
[0006]步驟一:偏振水平的信號光S0與偏振垂直的栗浦光P在作用介質(zhì)單元10中發(fā)生非線性相互作用，產(chǎn)生物質(zhì)相干性A0的同時(shí)，將信號光S0被放大為S1。其中，物質(zhì)相干性A0與栗浦光P、信號光S1之間存在相位和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。
[0007]步驟二:步驟一產(chǎn)生的物質(zhì)相干性A0留在作用介質(zhì)單元10中，而被放大的信號光S1與栗浦光P —起從作用介質(zhì)單元10中傳播出來，經(jīng)極化分束器5分束，沿著光纖線圈9相向傳播。在光纖線圈9 一端串接半波片7，信號光S1和栗浦光P的偏振特性分別變?yōu)榇怪逼窈退狡瘢?jīng)極化分束器5的作用重新返回到作用介質(zhì)單元10中發(fā)生第二次非線性相互作用；此時(shí)，待測角速度引起的相位變化被調(diào)制到信號光S1和栗浦光P相位差信號中；
[0008]步驟三:重新返回到作用介質(zhì)單元10的栗浦光P、信號光S1與物質(zhì)相干性A0相互作用，產(chǎn)生偏振垂直的信號光S2被探測器8探測，此時(shí)S2光強(qiáng)與待測角速度引起的相位變化有關(guān)。
[0009]其中，所述信號光S0和栗浦光P均工作在脈沖模式下，偏振正交，滿足雙光子共振。
[0010]其中，所述作用介質(zhì)單元可以是處于基態(tài)的原子、離子、分子或者量子點(diǎn)等，如S7Rb原子系綜。
[0011]在光纖線圈9中，信號光、栗浦光及其背向散(反)射光的偏振特性變化趨勢如下所示:
[0012]信號光:5(|| ) — 9( || ) — 7(丄)一5(丄)
[0013]栗浦光:5(丄)一7(||)—9(||) —5(||)
[0014]信號光引起的背向散(反)射:5( ||) —9(||) —5(||)
[0015]栗浦光引起的背向散(反)射:5(丄)一7(||) — 9(||) — 7(丄)一5(丄)
[0016]其中，II代表水平偏振光，丄代表垂直偏振光。即，信號光S1、栗浦光P與其各自對應(yīng)的背向散射光在光纖線圈9中傳播路徑是不同的，這將導(dǎo)致信號光S1、栗浦光P與其各自對應(yīng)的背向散射光在光纖線圈9中偏振態(tài)上是不同的。當(dāng)偏振垂直信號光S1和偏振水平栗浦光P再次返回到作用介質(zhì)單元10發(fā)生非線性相互作用時(shí)，將產(chǎn)生偏振垂直的信號光S2。相對而言，返回到作用介質(zhì)單元10時(shí)，信號光S1的背向散射光為水平偏振，栗浦光P的背向散射光為垂直偏振。這兩束背向散射光與作用介質(zhì)單元10發(fā)生非線性相互作用時(shí)，將產(chǎn)生偏振水平的信號光S3。信號光S2與S3通過極化分束器4實(shí)現(xiàn)分離，從而可以有效消除背向散(反)射光的干擾。
[0017]在光纖線圈中，信號光與栗浦光引起的偏振交叉耦合光具體變化趨勢如下所示:
[0018]信號光引起的偏振交叉親合光:5( || ) — 9(丄)一7( || ) — 5( || )
[0019]栗浦光引起的偏振交叉耦合光:5(丄)一7( || ) — 9(丄)一5(丄)
[0020]其中，II代表水平偏振光，丄代表垂直偏振光。即，信號光S1和栗浦光P在光纖線圈9中發(fā)生偏振交叉耦合，將原本偏振水平的信號光S0與偏振垂直的栗浦光P分別變?yōu)榇怪逼窈退狡?。再?jīng)過半波片7的作用，將信號光S1和栗浦光P引起的偏振交叉耦合光分別變?yōu)樗狡窈痛怪逼瘛Ｗ罱K信號光S1和栗浦光P引起的偏振交叉親合光直接從極化分束器5水平出射，實(shí)現(xiàn)信號光S1、栗浦光P與其偏振交叉親合光的分離，從而可以有效消除偏振交叉耦合光的干擾。
[0021]本發(fā)明方法利用偏振正交的栗浦光和信號光與物質(zhì)發(fā)生非線性作用過程，產(chǎn)生物質(zhì)相干性與栗浦光、信號光之間的相位和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。同時(shí)，將非線性作用過程與光纖線圈的Sagnac效應(yīng)結(jié)合，通過控制信號光與栗浦光在光纖線圈的偏振特性，使其與背向散(反)射和偏振交叉耦合等引起的寄生光在偏振態(tài)上分離，從而可以有效消除寄生光的干擾，為高精度測量發(fā)展提供了新途徑。
【附圖說明】
[0022]圖1是發(fā)明實(shí)施例中作用介質(zhì)S7Rb原子能級圖。
[0023]圖2是發(fā)明實(shí)施例中利用銣原子拉曼散射過程消除全光Sagnac干涉儀中寄生干涉的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施本發(fā)明的過程、條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識和公知常識，本發(fā)明沒有特別限制內(nèi)容。
[0025]在本發(fā)明中，相互作用介質(zhì)單元可以是處于基態(tài)的原子、離子、分子或者量子點(diǎn)等。本實(shí)施例存儲介質(zhì)單元是制備在基態(tài)的純S7Rb原子系綜。圖1顯示的是S7Rb原子能級和相應(yīng)的光頻圖。其中，52S1/2、52P1/2、52P3/2為S7Rb原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，F(xiàn) = 1、F = 2為精細(xì)結(jié)構(gòu)5S1/2的超精細(xì)分裂，其能級差為6.8GHz。虛線所示為S7Rb原子的虛能級。若要實(shí)現(xiàn)非線性光與原子相位和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，應(yīng)將原子系綜的初態(tài)全部布居在一個能級上，如52S1/2，F(xiàn)= 1基態(tài)能級。
[0026]非線性過程可以是拉曼過程或者四波混頻過程等。本實(shí)施例中的非線性過程為拉曼過程。圖2顯示的是基于銣原子拉曼散射過程的Sagnac角速度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明中，包括:第一光源1，第二光源2，極化分束器3、4、5，半波片6、7，光電探測器8，光纖線圈9，働原子系綜10。
[0027]其中，第一光源1用于產(chǎn)生入射栗浦光場P，第二光源2用于產(chǎn)生入射信號光場SO ο信號光場S0的頻率與入射栗浦光場P頻率相差6.8GHz，且滿足雙光子共振。更為具體地，本發(fā)明較佳實(shí)施例中第一光源1和第二光源2為相干光源。本發(fā)明較佳實(shí)施例中，入射信號光場so和栗浦光場P均為脈沖模式。
[0028]入射栗浦光場P和信號光場S0合束入射到處于基態(tài)能級的銣原子系綜10發(fā)生受激拉曼散射過程，產(chǎn)生信號光場S1和原子相干性A1。其