原子磁强计检测光闭环稳定系统设计*

2014-09-25杨照华

传感器与微系统 2014年3期

王浩，杨照华

(1.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航技术国防重点学科实验室，北京 100191； 2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

0 引言

随着原子自旋新的物理效应、新的操控原理与方法的发现，尤其是2002年人类开始能够操控原子自旋实现无自旋交换弛豫(spin exchange relaxation free,SERF)态， SERF态原子磁强计研制成功。该磁强计大幅超越了现有磁场测量手段实现的灵敏度[1]。2002年,首次实现原理验证即已达到15 fT/Hz1/2的灵敏度，近10年来迅速发展，已经实现0.16 fT/Hz1/2的灵敏度，代表了目前人类磁场测量灵敏度的最高水平[2]。随着原子自旋调控技术发展，SERF态原子自旋磁强计有望实现10-4fT/Hz1/2[3]。

原子自旋是原子磁强计的实现基础，在极微弱的磁场下原子自旋会发生进动[4]。实验中，将碱金属气体充入玻璃做成的气室中，并将其维持在一定的温度下使其达到SERF态。SERF态下，置于磁场中的原子发生进动，整个气室成为旋光介质。检测光通过旋光介质时会发生旋光效应，光束分解为左旋光和右旋光。由于旋光介质对左旋光和右旋光的折射率不同，检测光通过该介质后偏振面会发生一定角度的偏转[5]。通过检测该偏转角度可以推算原子自旋的进动信息进而推算出磁场的强度。所以,测量偏振光与原子气室作用后偏振平面偏转的角度成为原子磁强计检测的关键技术。目前在原子磁强计检测中主要使用法拉第检测法，采用法拉第调制器对检测光进行调制，并对所得到光强信息进行处理得到偏转角度[6]。但光电流摄动或环境温度变化等干扰导致的检测光强的起伏会直接影响实验结果，因而实现检测光的稳定很有必要。

1 原子磁强计法拉第检测原理

磁致法拉第旋光效应是指线偏振光通过置于磁场中的法拉第晶体时其偏振面会发生偏转的现象，其偏转角度与磁场呈正比[7]。法拉第检测法是利用交流信号使法拉第晶体处的磁场产生交变来对线偏振光进行调制，进而实现原子磁强计的检测的。图1为原子磁强计法拉第检测法原理图。

图1 原子磁强计法拉第法检测原理图

如图1所示，检测光到达碱金属气室前，对检测光施加法拉第调制。检测光偏振面随调制磁场产生角度为αsinωmodt的偏转，α为调制深度，ωmod为调制频率。然后检测光通过碱金属气室，由气室导致的检测光偏振面偏转角为θ。最终检测光通过与起偏器光轴夹角为90°的检偏器，则探测到的光强为

I=I0sin2(θ+αsinωmodt)

≈I0(θ2+2θαsinωmodt+α2sin2ωmodt).

(1)

通过锁相放大器可以提取光电探测器的输出信号I中频率为ω的幅值大小

Iω≈2I0θα.

(2)

从式(2)中可看出:I0的起伏直接影响θ的计算[8]。但激光器输出功率受光电流摄动、温度变化等影响会导致激光器输出激光的光强发生起伏[9]，给实验带来误差。

2 检测光稳定系统设计

2.1 检测光稳定系统构成

为稳定检测光，本文根据法拉第检测法设计了基于法拉第旋光效应的闭环检测光稳定系统。图2为系统原理图。本系统由光路子系统和控制子系统组成。光路子系统由激光器、起偏器、法拉第旋光器、检偏器1、分束器组成，其中,法拉第旋光器由法拉第晶体、线圈及机械零件组成。控制子系统由PID控制器、光电探测器、线圈驱动电路组成。

图2 光强稳定系统构成图

如图2所示，在法拉第检测的基础上增加法拉第旋光器、检偏器1、分束器及控制系统为后续原子磁强计检测提供光强稳定的激光。其工作原理为：激光依次经过起偏器、法拉第旋光器、检偏器1、分束器。检偏器1与起偏器的光轴夹角设置为45°，检偏器1与分束器的光轴也设置为45°。光束a作为原子磁强计的检测光，光束b的信号作为反馈信号用于光强稳定控制。当存在光电流摄动等干扰因素时，光束b的光强发生变化，光电探测器1输出相应的电压信号，PID控制器根据该电压信号输出控制电压u，电压u经过驱动电路驱动法拉第旋光器的线圈，从而产生相应的磁场来调节线偏振光偏振面进而补偿检测光因干扰因素引起的光强起伏，实现对光束b的光强稳定，从而实现对光束a的光强稳定。

2.2 检测光稳定系统控制原理

本系统采用PID控制来完成检测光稳定系统的闭环控制。控制系统框图如图3所示。

图3 检测光稳定系统控制系统框图

结合图2，光束a为需要稳定光强的检测光，光束b的光强对应的电压信号作为反馈信号，设其对应的电压值为U，通过闭环控制系统将该电压值稳定在设定值为U0。光电探测器、PID控制器、线圈驱动电路、法拉第旋光器、分束器构成闭环控制系统。当存在光电流摄动或环境温度变化等干扰因素时，经过起偏器的光强I0受到干扰Inoise，记为Inoise，其表达式为

(3)

调节法拉第旋光器中线圈端电压u0，改变流入线圈电流i的大小，即可改变磁场大小，进而改变线偏振光偏振面的旋转角度，补偿干扰因素引起的检测光光强变化。设μ0=4π×10-7，n为线圈单位长度内的匝数，R为线圈电阻，则磁场B与端电压u0的关系为[10]

(4)

线偏振光经过法拉第旋光器后偏振面旋转角度β与法拉第晶体的维尔德常数V、晶体的长度L及线圈磁场B的关系为[11]

β=VBL.

(5)

由式(4)和式(5)得出线偏振光经过法拉第旋光器后的偏振面偏角为

(6)

则线偏振光经过法拉第旋光器和分束器后，光强Ia,Ib分别如式(7)、式(8)

(7)

(8)

激光受干扰因素影响产生光强起伏，经过起偏器后通过闭环PID控制产生补偿偏角β。通过控制量u调整线圈驱动电路的输出电压来调整β的大小，可以实现原子磁强计检测光光强的稳定。

3 检测光稳定系统仿真

3.1 仿真条件

根据本文中考虑到的干扰因素，设计仿真条件。针对存在的光电流摄动、环境温度变化等现象引起的激光器发出光强的起伏，在实验中对激光器光强加入随机干扰。仿真时间为70 s。设激光经过起偏器后对应电压值为4 V，则经过检偏器后的激光对应电压值为2 V，光束a和光束b对应电压值均为1 V，在外界干扰存在时激光光强发生起伏导致经过检偏器的激光光强在4 V左右波动，光束a与光束b的光强在1V左右波动。根据上述仿真条件，将法拉第闭环PID控制的光强稳定效果与无控制时的效果进行对比，验证法拉第闭环PID控制对检测光稳定系统的控制效果。

3.2 仿真结果与分析

基于图3所示原理框图，针对法拉第闭环光强稳定系统，进行仿真分析,仿真中加入随机干扰。仿真结果如图4所示。

图4 随机干扰下系统仿真结果

如图4所示，仿真时间为70 s，在第10 s施加随机干扰信号。对比图4(a)和(b)：第10s 加入干扰时，图4(a)中曲线幅值在原来1 V输出基础上波动，且幅值因干扰不同而不同；图4(b)中曲线波动峰值几乎为0。可以得出系统受低频干扰时，PID控制提高系统抗扰性能和稳态精度。

4 实验结果与分析

针对法拉第闭环光强稳定系统搭建实验平台如图5所示。依据仿真分析过程进行实验验证，实验加入随机干扰。

如图6所示，对比图5(a)和(b)，在12～14 s加入干扰时，图6(a)中曲线输出最小值为0.978 V，最大值为1.015 V；图6(b)中曲线最小值为0.987 V，最大值约为1.005 3 V。可以得出系统受随机干扰时，系统稳态误差范围由原来不加控制时的0.03减小为0.018，稳态精度提高约1.2 %。

图5 实验平台

5 结论

本文针对原子磁强计的法拉第检测原理，设计了法拉第闭环光强稳定系统。通过旋光效应和PID控制原理，实现原子磁强计检测光的光强稳定。利用Matlab/Simulink仿真分析系统对随机干扰的抗扰性能，验证PID控制系统稳定原子磁强计检测光光强的效果。搭建法拉第闭环光强稳定系统实验平台，验证PID控制方法可提高系统抗扰性能，使系统抗干扰性能提高1.2 %，有效减小光强干扰对原子磁强计检测造成的影响，进而提高原子磁强计的检测精度。

参考文献:

[1] Schwindt Peter D D.Cort Nolan Johnson.Sandia Report[R].American：United States of Energy by Sandia Corporation,2010:1-18.

[2] Dang H B,Maloof A C,Romalis M V.Ultrahigh sensitivity magnetic field and magnetization measurements with an atomic magnetometer[J].Applied Physiscs Letters,2010,97:151110.