原子磁強(qiáng)計檢測光閉環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計*

王 浩， 楊照華

(1.北京航空航天大學(xué) 新型慣性儀表與導(dǎo)航技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗室，北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

0 引 言

隨著原子自旋新的物理效應(yīng)、新的操控原理與方法的發(fā)現(xiàn)，尤其是2002年人類開始能夠操控原子自旋實(shí)現(xiàn)無自旋交換弛豫(spin exchange relaxation free,SERF)態(tài)， SERF態(tài)原子磁強(qiáng)計研制成功。該磁強(qiáng)計大幅超越了現(xiàn)有磁場測量手段實(shí)現(xiàn)的靈敏度[1]。2002年,首次實(shí)現(xiàn)原理驗證即已達(dá)到15 fT/Hz1/2的靈敏度，近10年來迅速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)0.16 fT/Hz1/2的靈敏度，代表了目前人類磁場測量靈敏度的最高水平[2]。隨著原子自旋調(diào)控技術(shù)發(fā)展，SERF態(tài)原子自旋磁強(qiáng)計有望實(shí)現(xiàn)10-4fT/Hz1/2[3]。

原子自旋是原子磁強(qiáng)計的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，在極微弱的磁場下原子自旋會發(fā)生進(jìn)動[4]。實(shí)驗中，將堿金屬氣體充入玻璃做成的氣室中，并將其維持在一定的溫度下使其達(dá)到SERF態(tài)。SERF態(tài)下，置于磁場中的原子發(fā)生進(jìn)動，整個氣室成為旋光介質(zhì)。檢測光通過旋光介質(zhì)時會發(fā)生旋光效應(yīng)，光束分解為左旋光和右旋光。由于旋光介質(zhì)對左旋光和右旋光的折射率不同，檢測光通過該介質(zhì)后偏振面會發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)[5]。通過檢測該偏轉(zhuǎn)角度可以推算原子自旋的進(jìn)動信息進(jìn)而推算出磁場的強(qiáng)度。所以,測量偏振光與原子氣室作用后偏振平面偏轉(zhuǎn)的角度成為原子磁強(qiáng)計檢測的關(guān)鍵技術(shù)。目前在原子磁強(qiáng)計檢測中主要使用法拉第檢測法，采用法拉第調(diào)制器對檢測光進(jìn)行調(diào)制，并對所得到光強(qiáng)信息進(jìn)行處理得到偏轉(zhuǎn)角度[6]。但光電流攝動或環(huán)境溫度變化等干擾導(dǎo)致的檢測光強(qiáng)的起伏會直接影響實(shí)驗結(jié)果，因而實(shí)現(xiàn)檢測光的穩(wěn)定很有必要。

1 原子磁強(qiáng)計法拉第檢測原理

磁致法拉第旋光效應(yīng)是指線偏振光通過置于磁場中的法拉第晶體時其偏振面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，其偏轉(zhuǎn)角度與磁場呈正比[7]。法拉第檢測法是利用交流信號使法拉第晶體處的磁場產(chǎn)生交變來對線偏振光進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)原子磁強(qiáng)計的檢測的。圖1為原子磁強(qiáng)計法拉第檢測法原理圖。

圖1 原子磁強(qiáng)計法拉第法檢測原理圖

如圖1所示，檢測光到達(dá)堿金屬氣室前，對檢測光施加法拉第調(diào)制。檢測光偏振面隨調(diào)制磁場產(chǎn)生角度為αsinωmodt的偏轉(zhuǎn)，α為調(diào)制深度，ωmod為調(diào)制頻率。然后檢測光通過堿金屬氣室，由氣室導(dǎo)致的檢測光偏振面偏轉(zhuǎn)角為θ。最終檢測光通過與起偏器光軸夾角為90°的檢偏器，則探測到的光強(qiáng)為

I=I0sin2(θ+αsinωmodt)

≈I0(θ2+2θαsinωmodt+α2sin2ωmodt).

(1)

通過鎖相放大器可以提取光電探測器的輸出信號I中頻率為ω的幅值大小

Iω≈2I0θα.

(2)

從式(2)中可看出:I0的起伏直接影響θ的計算[8]。但激光器輸出功率受光電流攝動、溫度變化等影響會導(dǎo)致激光器輸出激光的光強(qiáng)發(fā)生起伏[9]，給實(shí)驗帶來誤差。

2 檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)構(gòu)成

為穩(wěn)定檢測光，本文根據(jù)法拉第檢測法設(shè)計了基于法拉第旋光效應(yīng)的閉環(huán)檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)。圖2為系統(tǒng)原理圖。本系統(tǒng)由光路子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。光路子系統(tǒng)由激光器、起偏器、法拉第旋光器、檢偏器1、分束器組成，其中,法拉第旋光器由法拉第晶體、線圈及機(jī)械零件組成?？刂谱酉到y(tǒng)由PID控制器、光電探測器、線圈驅(qū)動電路組成。

圖2 光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)構(gòu)成圖

如圖2所示，在法拉第檢測的基礎(chǔ)上增加法拉第旋光器、檢偏器1、分束器及控制系統(tǒng)為后續(xù)原子磁強(qiáng)計檢測提供光強(qiáng)穩(wěn)定的激光。其工作原理為：激光依次經(jīng)過起偏器、法拉第旋光器、檢偏器1、分束器。檢偏器1與起偏器的光軸夾角設(shè)置為45°，檢偏器1與分束器的光軸也設(shè)置為45°。光束a作為原子磁強(qiáng)計的檢測光，光束b的信號作為反饋信號用于光強(qiáng)穩(wěn)定控制。當(dāng)存在光電流攝動等干擾因素時，光束b的光強(qiáng)發(fā)生變化，光電探測器1輸出相應(yīng)的電壓信號，PID控制器根據(jù)該電壓信號輸出控制電壓u，電壓u經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動法拉第旋光器的線圈，從而產(chǎn)生相應(yīng)的磁場來調(diào)節(jié)線偏振光偏振面進(jìn)而補(bǔ)償檢測光因干擾因素引起的光強(qiáng)起伏，實(shí)現(xiàn)對光束b的光強(qiáng)穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對光束a的光強(qiáng)穩(wěn)定。

2.2 檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用PID控制來完成檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖

結(jié)合圖2，光束a為需要穩(wěn)定光強(qiáng)的檢測光，光束b的光強(qiáng)對應(yīng)的電壓信號作為反饋信號，設(shè)其對應(yīng)的電壓值為U，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)將該電壓值穩(wěn)定在設(shè)定值為U0。光電探測器、PID控制器、線圈驅(qū)動電路、法拉第旋光器、分束器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)存在光電流攝動或環(huán)境溫度變化等干擾因素時，經(jīng)過起偏器的光強(qiáng)I0受到干擾Inoise，記為Inoise，其表達(dá)式為

(3)

調(diào)節(jié)法拉第旋光器中線圈端電壓u0，改變流入線圈電流i的大小，即可改變磁場大小，進(jìn)而改變線偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)角度，補(bǔ)償干擾因素引起的檢測光光強(qiáng)變化。設(shè)μ0=4π×10-7，n為線圈單位長度內(nèi)的匝數(shù)，R為線圈電阻，則磁場B與端電壓u0的關(guān)系為[10]

(4)

線偏振光經(jīng)過法拉第旋光器后偏振面旋轉(zhuǎn)角度β與法拉第晶體的維爾德常數(shù)V、晶體的長度L及線圈磁場B的關(guān)系為[11]

β=VBL.

(5)

由式(4)和式(5)得出線偏振光經(jīng)過法拉第旋光器后的偏振面偏角為

(6)

則線偏振光經(jīng)過法拉第旋光器和分束器后，光強(qiáng)Ia,Ib分別如式(7)、式(8)

(7)

(8)

激光受干擾因素影響產(chǎn)生光強(qiáng)起伏，經(jīng)過起偏器后通過閉環(huán)PID控制產(chǎn)生補(bǔ)償偏角β。通過控制量u調(diào)整線圈驅(qū)動電路的輸出電壓來調(diào)整β的大小，可以實(shí)現(xiàn)原子磁強(qiáng)計檢測光光強(qiáng)的穩(wěn)定。

3 檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)仿真

3.1 仿真條件

根據(jù)本文中考慮到的干擾因素，設(shè)計仿真條件。針對存在的光電流攝動、環(huán)境溫度變化等現(xiàn)象引起的激光器發(fā)出光強(qiáng)的起伏，在實(shí)驗中對激光器光強(qiáng)加入隨機(jī)干擾。仿真時間為70 s。設(shè)激光經(jīng)過起偏器后對應(yīng)電壓值為4 V，則經(jīng)過檢偏器后的激光對應(yīng)電壓值為2 V，光束a和光束b對應(yīng)電壓值均為1 V，在外界干擾存在時激光光強(qiáng)發(fā)生起伏導(dǎo)致經(jīng)過檢偏器的激光光強(qiáng)在4 V左右波動，光束a與光束b的光強(qiáng)在1V左右波動。根據(jù)上述仿真條件，將法拉第閉環(huán)PID控制的光強(qiáng)穩(wěn)定效果與無控制時的效果進(jìn)行對比，驗證法拉第閉環(huán)PID控制對檢測光穩(wěn)定系統(tǒng)的控制效果。

3.2 仿真結(jié)果與分析

基于圖3所示原理框圖，針對法拉第閉環(huán)光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)行仿真分析,仿真中加入隨機(jī)干擾。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 隨機(jī)干擾下系統(tǒng)仿真結(jié)果

如圖4所示，仿真時間為70 s，在第10 s施加隨機(jī)干擾信號。對比圖4(a)和(b)：第10s 加入干擾時，圖4(a)中曲線幅值在原來1 V輸出基礎(chǔ)上波動，且幅值因干擾不同而不同；圖4(b)中曲線波動峰值幾乎為0。可以得出系統(tǒng)受低頻干擾時，PID控制提高系統(tǒng)抗擾性能和穩(wěn)態(tài)精度。

4 實(shí)驗結(jié)果與分析

針對法拉第閉環(huán)光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)搭建實(shí)驗平臺如圖5所示。依據(jù)仿真分析過程進(jìn)行實(shí)驗驗證，實(shí)驗加入隨機(jī)干擾。

如圖6所示，對比圖5(a)和(b)，在12～14 s加入干擾時，圖6(a)中曲線輸出最小值為0.978 V，最大值為1.015 V；圖6(b)中曲線最小值為0.987 V，最大值約為1.005 3 V?？梢缘贸鱿到y(tǒng)受隨機(jī)干擾時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差范圍由原來不加控制時的0.03減小為0.018，穩(wěn)態(tài)精度提高約1.2 %。

圖5 實(shí)驗平臺

5 結(jié) 論

本文針對原子磁強(qiáng)計的法拉第檢測原理，設(shè)計了法拉第閉環(huán)光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)。通過旋光效應(yīng)和PID控制原理，實(shí)現(xiàn)原子磁強(qiáng)計檢測光的光強(qiáng)穩(wěn)定。利用Matlab/Simulink仿真分析系統(tǒng)對隨機(jī)干擾的抗擾性能，驗證PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定原子磁強(qiáng)計檢測光光強(qiáng)的效果。搭建法拉第閉環(huán)光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)實(shí)驗平臺，驗證PID控制方法可提高系統(tǒng)抗擾性能，使系統(tǒng)抗干擾性能提高1.2 %，有效減小光強(qiáng)干擾對原子磁強(qiáng)計檢測造成的影響，進(jìn)而提高原子磁強(qiáng)計的檢測精度。

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圖6 隨機(jī)干擾下系統(tǒng)輸出實(shí)驗結(jié)果

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