本發(fā)明涉及光偏振測量與誤差補償?shù)募夹g領域，尤其涉及高精度原子自旋磁場及慣性測量的技術領域，特別涉及一種消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置及方法。
背景技術：
線偏振光旋角檢測在原子自旋信號檢測、生物檢測、快速光譜成像等領域具有廣泛的應用。特別是本發(fā)明涉及的原子自旋信號檢測領域，線偏振光旋角檢測具有較高的檢測靈敏度及精度已經(jīng)被應用于基礎物理參數(shù)測量裝置、極弱磁場測量裝置及高精度長航時的原子慣性導航系統(tǒng)。而線偏振檢測中殘余圓偏振分量引入的檢測誤差極大破壞了光旋角測量的靈敏度及精度，因此需要一種高精度、易操作的可消除此干擾誤差的裝置及方法。
在現(xiàn)有技術[1](j.m.brown,anewlimitonlorentz-andcpt-violatingneutronspininteractionsusingak-3hecomagnetometer,indepartmentofphysics,princetonuniversity,princeton,2011)提到了采用超厚石英玻璃應力變化或者電光晶體的普克爾斯效應抑制殘余圓偏振光分量的方法。這兩種方法中前者靠被動控制石英玻璃的應力變化補償光束中殘余圓偏振分量，其控制精度不高且操作復雜；后者利用電光晶體的普克爾斯效應補償圓偏振分量，補償精度受限于電光晶體的偏振特性且電光晶體需要的交變驅(qū)動電場會產(chǎn)生磁場干擾影響正常信號測量。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于提出一種消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置及方法，克服上述現(xiàn)有技術的不足。該裝置簡單結構緊湊，只需要用到精密可旋轉(zhuǎn)的真零級四分之一波片，操作簡單方便；利用檢測光與堿金屬原子相互作用的響應輸出做為調(diào)節(jié)器件的反饋信號，補償準確且精確高。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：
一種消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置，該裝置包括準直擴束檢測激光源、光功率穩(wěn)定模塊、起偏器、光彈調(diào)制器、可變四分之一波片、光楔組件、待測堿金屬氣室樣品、三維線圈、檢偏器、光電探測器、光彈控制器、數(shù)字鎖相放大器、數(shù)字示波器及信號采集與處理單元，其中，沿所述的準直擴束檢測激光源出射的光束前進方向依次是光功率穩(wěn)定模塊、起偏器、光彈調(diào)制器、可變四分之一波片、光楔組件、待測堿金屬氣室樣品、三維線圈、檢偏器和光電探測器，所述的光彈控制器通過串口與所述的光彈調(diào)制器的控制端相連，所述的光彈控制器第一輸出端接所述的數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端，所述的光電探測器的輸出端接所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，經(jīng)所述的數(shù)字鎖相放大器解調(diào)的一次諧波信號輸出端通過三通bnc轉(zhuǎn)接頭分別接數(shù)字示波器和信號采集與處理單元，該信號采集與處理單元的用于采集數(shù)字鎖相放大器的輸出信號，反饋控制程序用于穩(wěn)定光功率變化。
所述的起偏器為高消光比的格蘭泰勒棱鏡，其振動軸沿x軸方向；光彈調(diào)制器的振動方向與起偏器呈45度夾角；可變四分之一波片為單點波長的真零級器件，其快軸方位角與起偏器偏振方向同軸；檢偏器為高消光比的格蘭泰勒棱鏡其振動軸與起偏器透振方向垂直；光楔組件用于調(diào)節(jié)入射到球型堿金屬氣室中心軸線的光束位置；三維線圈對堿金屬氣室樣品提供不同方位磁場。
所述的光彈控制器通過輸入面板設定光彈調(diào)制器的峰值延遲量、調(diào)制頻率和工作波長。
利用所述的消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置去除線偏振中殘余圓偏振分量的方法，該方法包括以下步驟：
①將檢測光波長對應的真零級可變四分之一波片安裝在高分辨率可旋轉(zhuǎn)的光學鏡架內(nèi)，可通過高精密旋轉(zhuǎn)鏡架控制器控制可變四分之一波片的轉(zhuǎn)動；
②所述的光彈控制器通過輸入前面板設定光彈調(diào)制器的峰值相位延遲量為0.09rad，所述的光電探測器記錄從檢偏器出射的光束光強并轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號輸出至所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，所述的光彈控制器輸出端與數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端相連，數(shù)字鎖相放大器的輸出信號包含一次諧波分量和二次諧波分量，其中數(shù)字鎖相放大器一次諧波輸出信號通過bnc連接線輸送至數(shù)字示波器；
③利用高精密電流源控制堿金屬氣室外圍的三維線圈的磁場變化；
④當氣室內(nèi)堿金屬原子未被極化時，數(shù)字鎖相放大器輸出信號的一次諧波分量v1f輸出可表示為：
v1f∝smrm
其中，sm為光束偏振度，純線偏振光時sm＝0，純圓偏振時sm＝1，一般情況下介乎于兩者之間；rm為檢測光對原子抽運率，線偏振檢測光中存在圓偏振光抽運干擾時v1f∝smrm≠0；通過高精密電流源對三維線圈施加極化堿金屬原子響應頻率范圍內(nèi)的正弦信號，在數(shù)字示波器上觀測鎖相放大器一次諧波分量響應輸出。通過高精密旋轉(zhuǎn)鏡架控制器在小范圍內(nèi)精調(diào)氣室前可變四分之一波片的光軸位置，精確補償圓偏振光分量，使得v1f∝smrm＝0，消除因線偏振檢測光中殘余的圓偏振分量引入的一次諧波誤差信號。
本發(fā)明的技術效果如下：
在堿金屬原子未被極化時，根據(jù)堿金屬原子對檢測光的響應信號，精確調(diào)整可變四分之一波片的光軸方位角，利用基于光彈調(diào)制偏振檢測組件中的可變四分之一波片，不需要新增器件，裝置簡單，結構緊湊，容易操作。只需要一個鎖相放大器及數(shù)字示波器，信號處理簡單，操作方便。
附圖說明
圖1為本發(fā)明消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置實施結構框圖；
圖2為本發(fā)明實施方法步驟流程圖；
圖中附圖標記含義為：1為準直擴束檢測激光源，2為光功率穩(wěn)定模塊，3為起偏器，4為光彈調(diào)制器，5為可變四分之一波片，6為光楔組件，7為待測堿金屬氣室樣品，8為三維線圈，9為檢偏器，10為光電探測器。
具體實施方式
下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置實施結構框圖。由圖可見，本發(fā)明消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置由由準直擴束檢測激光源1、光功率穩(wěn)定模塊2、起偏器3、光彈調(diào)制器4、可變四分之一波片5、光楔組件6、待測堿金屬氣室樣品7、三維線圈8、檢偏器9、光電探測器10及光彈控制器、高精密旋轉(zhuǎn)鏡架控制器、鎖相放大器及數(shù)字示波器組成，其位置關系為：
沿所述的準直擴束檢測激光源1出射的光束前進方向依次是光功率穩(wěn)定模塊2、起偏器3、光彈調(diào)制器4、可變四分之一波片5、光楔組件6、待測堿金屬氣室樣品7、三維線圈8、檢偏器9和光電探測器10。所述的可變四分之一波片5被安裝在高精密旋轉(zhuǎn)可自動控制的鏡架內(nèi)；所述的光彈控制器通過串口與所述的光彈調(diào)制器4的控制端相連，所述的光彈調(diào)制器4第一輸出端接所述的數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端，所述的光電探測器10的輸出端接所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，所述的數(shù)字鎖相放大器一次諧波信號輸出端通過三通bnc轉(zhuǎn)接頭分別接數(shù)字示波器和ni信號采集與處理單元，該信號采集與處理單元的用于采集數(shù)字鎖相放大器的輸出信號，反饋控制程序用于穩(wěn)定光功率變化。
所述的起偏器3為高消光比的格蘭泰勒棱鏡，其振動軸沿x軸方向；光彈調(diào)制器的振動方向與起偏器呈45度夾角；可變四分之一波片5為單點波長的真零級器件，其快軸方位角與起偏器3偏振方向同軸；檢偏器9為高消光比的格蘭泰勒棱鏡其振動軸與起偏器3透振方向垂直；待測堿金屬氣室樣品7為球型堿金屬氣室，光楔組件6用于調(diào)節(jié)入射到球型堿金屬氣室中心軸線的光束位置；三維線圈通過高精密電流源對堿金屬氣室樣品7提供不同方位的磁場。
本發(fā)明的最佳實施例的結構圖如圖1所示，其具體結構如下：所述的準直擴束檢測激光源1為波長795nm的dfb半導體激光器，所述的光功率穩(wěn)定模塊2是液晶噪聲衰減器配合偏振分光棱鏡的控制組件，形成對光路中光功率的穩(wěn)定控制以避免其功率波動淹沒待消除的偏振誤差信號；所述的起偏器3為方解石制成的格蘭泰勒偏振棱鏡其消光比優(yōu)于10-5；所述的光彈調(diào)制器4為hindsinstruments公司研制的共振頻率50khz的pem100光彈調(diào)制器；所述的光楔組件6由4片楔角5°的k9玻璃組成；所述的堿金屬氣室樣品7由一定比例k、rb堿金屬原子混合物及一定氣壓的惰性氣體21ne組成；所述的三維線圈8為赫姆霍茲線圈；所述的檢偏器9為消光比優(yōu)于10-5的格蘭泰勒棱鏡；所述的光電探測器10由光電二極管和前置放大電路構成；所述的光彈控制器與光彈調(diào)制器4配套用來驅(qū)動光彈調(diào)制器4的振動；所述數(shù)字鎖相放大器由瑞士zi公司研制的hf2li鎖相放大器。
利用所述的消除線偏振光旋角檢測中殘余圓偏振分量的裝置消除線偏振光中殘余圓偏振成分的方法，包括下列步驟：
①將檢測光波長對應的真零級四分之一波片安裝在高分辨率可旋轉(zhuǎn)的光學支架內(nèi)，可通過高精密旋轉(zhuǎn)鏡架控制器控制四分之一波片的轉(zhuǎn)動；
②所述的光彈控制器通過輸入前面板設定光彈調(diào)制器4的峰值相位延遲量為0.09rad，所述的光電探測器10記錄從檢偏器9出射的光束光強并轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號輸出至所述的數(shù)字鎖相放大器的信號輸入端，所述的光彈控制器輸出端與數(shù)字鎖相放大器的參考信號輸入端相連，數(shù)字鎖相放大器的輸出信號包含一次諧波分量和二次諧波分量，其中數(shù)字鎖相放大器一次諧波輸出信號通過bnc連接線輸送至數(shù)字示波器；
③利用高精密電流源控制堿金屬氣室樣品7外圍的三維線圈的磁場變化；
④當氣室內(nèi)堿金屬原子未被極化時，數(shù)字鎖相放大器輸出信號的一次諧波分量v1f表達式為：
v1f∝smrm
其中，sm為光束偏振度，純線偏振光時sm＝0，純圓偏振時sm＝1，一般情況下介乎于兩者之間；rm為檢測光對原子抽運率，線偏振檢測光中存在圓偏振光抽運干擾時v1f∝smrm≠0；通過高精密電流源對三維線圈8施加極化堿金屬原子響應頻率范圍內(nèi)的正弦信號，在數(shù)字示波器上觀測鎖相放大器一次諧波分量響應輸出。通過高精密旋轉(zhuǎn)鏡架控制器在小范圍內(nèi)精調(diào)氣室前可變四分之一波片5的光軸位置，精確補償圓偏振光分量，使得v1f∝smrm＝0，消除因線偏振檢測光中殘余的圓偏振分量引入的一次諧波誤差信號。
本發(fā)明的工作原理如下：
堿金屬氣室原子自旋未被抽運極化或原子自旋已經(jīng)弛豫時，此時堿金屬原子系綜自旋對外界磁場沒有響應；然而因為線偏振檢測光中殘余的圓偏振分量存在一個對磁場(本發(fā)明提到的三維線圈8給定的調(diào)制磁場)的干擾響應，精確調(diào)整可變四分之一波片5的方位角發(fā)現(xiàn)此干擾信號存在過零的響應輸出，其零點對應的可變四分之一波片5的方位角就是線偏振檢測光中消除圓偏振分量對應的最佳位置，利用精密調(diào)整鏡架鎖定此時位置。
本發(fā)明中的精密旋轉(zhuǎn)可變四分之一波片5可用液晶相位延遲器來替換，同樣可實現(xiàn)消除線偏振光中殘余圓偏振分量的目的。
本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。