[发明专利]用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统和方法

说明书

技术领域

本发明属于核磁共振陀螺仪激光器技术领域，尤其涉及一种激光频率功率双稳定系统和方法。

背景技术

微型核磁共振陀螺仪具有小体积、低功耗、大动态范围等特性，已成为新型惯性器件的研究重点和热点。核磁共振陀螺仪的性能受原子核自旋宏观磁距的影响，且直接与被极化的碱金属原子密度相关。激光器的频率与功率稳定性直接影响被极化的碱金属原子的密度，如果激光器频率或功率波动较大，将导致碱金属极化率出现较大的波动，进而影响最终的测量精度；也即，激光频率和功率的波动直接影响宏观核自旋磁矩的变化，最终影响到陀螺仪的性能。

为降低系统体积，核磁共振陀螺仪通常采用体积较小的DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)半导体激光器。由于无法直接调整谐振腔长度，只能通过调节激光器的温度和电流控制激光频率以及功率。

目前，通常采用的核磁共振陀螺仪采用线性吸收稳频技术，通过调节激光器驱动电流，可将激光频率锁定在吸收峰上，然而，当激光温度变化时，激光功率会出现漂移，影响核磁共振陀螺仪精度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统和方法，以实现激光功率和频率的双重稳定。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统，包括：激光器光路系统、激光稳频率系统和激光稳功率系统；其中，所述激光器光路系统，包括：半导体激光器件；所述激光稳频率系统，包括：恒流源；

激光器光路系统，用于基于半导体激光器件，输出透射光和第一电流信号；

激光稳频率系统，用于对透射光进行探测，将所述透射光转换为第一滤波信号；根据正弦波参考信号和第一滤波信号之间的相位差，得到激光频率偏离方向；根据所述激光频率偏离方向，反向调整恒流源产生的驱动电流，将半导体激光器件的频率稳定在吸收峰中心频率处；

激光稳功率系统，用于对第一电流信号进行探测，将所述第一电流信号转换为第二滤波信号；根据所述第二滤波信号，得到激光功率偏离方向；根据所述激光功率偏离方向，反向调整半导体激光器件的温度，进而反向调整恒流源产生的驱动电流，实现激光稳功率；

恒流源，用于产生驱动电流，调节半导体激光器件的出光强度。

在上述用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统中，所述激光器光路系统，还包括：TEC温度控制器、透镜、1/4玻片和原子气室；其中，

TEC温度控制器，用于对半导体激光器件的温度进行控制；

半导体激光器件，用于在所述TEC温度控制器的温度控制下，输出满足设定功率和设定频率的线偏振激光；以及，将所述线偏振激光转换为第一电流信号，并输出；

透镜，用于对所述半导体激光器件输出的线偏振激光进行准直；

1/4玻片，用于将准直后的线偏振激光转换为圆偏振光；

原子气室，用于在所述圆偏振光的作用下，对所述原子气室中的碱金属⁸⁷Rb进行极化处理，输出极化后得到的透射光。

在上述用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统中，所述半导体激光器件，包括：TEC半导体制冷器、激光器、NTC热敏电阻和背光二级管；

TEC半导体制冷器，用于在TEC温度控制器的温度控制下，对激光器进行加热或制冷；

激光器，用于在TEC半导体制冷器的加热或制冷下，输出满足设定功率和设定频率的线偏振激光；

NTC热敏电阻，用于对激光器的温度进行检测和反馈；

背光二级管，用于将激光器输出的线偏振激光转换为第一电流信号。

在上述用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统中，

设定功率，包括：10mW；

设定频率，包括：频率在⁸⁷Rb第一线的允许误差范围内；其中，所述允许误差为：±0.5nm；

NTC热敏电阻的阻值，包括：10kΩ。

在上述用于核磁共振陀螺仪的激光频率功率双稳定系统中，所述激光稳频率系统，还包括：光电探测器、第一I-V放大电路、第一ADC采集电路、第一平滑滤波器、第一PID控制器和信号发生器；

光电探测器，用于对激光器光路系统输出的透射光进行探测，将透射光转化为第二电流信号；

第一I-V放大电路，用于对所述第二电流信号进行放大，并将放大后的第二电流信号转化为电压信号；