一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统

本发明属于激光，涉及一种激光拍频系统，特别涉及一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统。

背景技术：

1、惯性测量在基础物理学研究和运载体导航领域有着广泛的应用，基于惯性测量的导航技术（惯性导航技术）不同于其他导航技术（如卫星导航、无线电导航、地磁导航和天文导航等），它具有不依赖任何外部信息、导航信息全面、实时、连续和自主性强等优点，是军事战略战术武器系统中不可或缺的一部分。此外，它还可以应用于无人机、无人驾驶和智能机器人等民用领域，服务于国民经济的发展。惯性导航技术基本原理是基于牛顿运动定律，测量载体相对惯性空间的角运动和线运动后，通过积分运算获取载体姿态运动信息和线运动信息，姿态信息为位置信息的解算提供空间基准。角运动和线运动的测量分别由陀螺仪和加速度计来完成，由于导航信息解算过程需要积分运算，因此测量误差会随着时间积累，陀螺仪和加速度计需要具备较好的长期稳定性才能完成长时间的导航任务。其中陀螺仪的偏置误差产生的导航定位误差随导航时间的三次方的增加而增加，而加速度计的偏置误差产生的导航定位误差随导航时间的平方的增加而增加，因此陀螺仪通常是制约惯性导航系统精度提升的核心部件，传统高精度的陀螺仪通常体积大、成本高，小体积、低成本、高精度的陀螺仪是惯性导航技术领域重要研究方向和未来发展趋势。

2、激光是原子自旋陀螺仪的核心信号源。原子自旋陀螺仪利用激光与碱金属气室中碱金属原子以及惰性气体原子的相互作用检测载体的角速度信息。载体角速度检测的灵敏度直接受驱动激光与检测激光的频率稳定性的影响。通常激光器在没有受到任何控制的情况下，其频率会随着时间漂移，环境温度变化、震动、大气波动等都会引起激光器频率的变化，进而影响陀螺仪的精度，所以必须对激光频率进行稳定控制。

3、通常为了对激光器进行频率稳定控制需要对激光稳定性进行测量。激光由于其高频特性，通过现有的探测器进行测量时，探测器无法进行响应，因此激光稳定度不能通过直接测量的方法。一般激光频率稳定性的测量有多种方法，通常情况下，拍频法是实验和科研领域采用最普遍的方法。拍频产生的原理是，将频率相近的两个信号叠加时，低频率信号将对高频率信号的幅值进行调制，从而形成频率为两个相叠加信号频率差值的包络，将该包络称为信号的拍频。这种方法可以将两个高频信号的相关关系转换为低频信号，降低了检测难度，广泛应用于精密测量等领域。

4、拍频光实验中，由于光波波长一般比光混频面的尺寸小很多，所以光混频的结果取决于混频面上光的分布和相干。这要求信号光和本振光的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。也就是需要满足下列条件：

5、条件一、信号光与本振光具有相同的模式结构。

6、条件二、信号光与本振光在混频面上须重合。

7、条件三、信号光与本振光的能流矢量方向一致，即两光束应保持空间上角准直。

8、条件四、两束光具有相同的偏振方向。

9、条件五、两束光的频差不能超过探测器的带宽。

10、条件六、在角准直的情况下，两束光的波前曲率应尽量保持匹配，最好都是平面或者具有相同的曲率半径。

11、拍频光形成的条件较为严格，搭建过程复杂，需要花费长时间调试得到拍频光。并且额外的拍频光路搭建使光路整体体积变大。因此，需要设计一种结构更简单，便于拍频光获取，减少对空间光路进行调试，更易于应用在serf陀螺仪上的激光拍频光路系统。

技术实现思路

1、为了解决拍频光获取难度大、调试过程繁琐、光路体积过大的问题，本发明对拍频光路进行了优化，本发明提出了一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统，所述的光路系统包括：第一、第二、第三光纤准直器、第一、第二1/2波片、第一、第二偏振分光棱镜、分光棱镜、第一、第二、第三二维棱镜调整架、隔振光学外壳、光电探测器，其中：

4、第一、第二光纤准直器的输入端通过光纤与两个被拍频激光器连接；

5、第三光纤准直器的输出端通过光纤与光电探测器连接；

6、第一、第二偏振分光棱镜、分光棱镜分别固定在第一、第二、第三二维棱镜调整架上，第一、第二、第三二维棱镜调整架均通过高稳定度底座固定在隔振光学外壳中；

7、第一、第二光纤准直器输出的空间面上角准直的空间光分别经过第一、第二1/2波片后输出两束偏振态一致的光，两束光分别经过两个偏振分光棱镜后保持偏振态并折射，进入分光棱镜后再次进行折射并重合为一束拍频光，经过第三光纤准直器由空间光转换为光纤光，光纤光输入到光电探测器转换为电信号，最终输出拍频信号。

8、与现有技术相比，本发明具有以下优势：

9、本发明提出一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统，本系统设计结构简单，所用元器件少，所占体积小，便于集成，且其与激光器相互独立，只需要对该系统输入合适功率的激光便能获得对应的稳定拍频光，适用于各类激光器。本系统的应用有利于serf陀螺仪小型化以及频率稳定性研究的发展。

技术特征：

1.一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统，其特征在于，所述的光路系统包括：第一、第二、第三光纤准直器、第一、第二1/2波片、第一、第二偏振分光棱镜、分光棱镜、第一、第二、第三二维棱镜调整架、隔振光学外壳、光电探测器，其中：

2.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，1/2波片包括对两束光调节的偏振调节旋钮；偏振调节旋钮为可旋转调节的拨片，用于调整激光的偏振状态，以确保当它们在分光棱镜上叠加时，偏振方向一致。

3.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，第一、第二光纤准直器将光纤光转换为空间面上角准直的空间光，并保持在一段距离内光斑不发散，第一、第二光纤准直器为固定式非球面光纤准直器，所接收的光功率大小为1mw左右，通过光纤准直器后光纤光转换为空间光，并且损耗低于0.25db。

4.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，第一、第二偏振分光棱镜均由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜；偏振分光棱镜把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，其中p偏光完全通过，而s偏光以45度角被反射，出射方向与p光成90度角，偏振分光棱镜将从1/2波片经过的线偏振光进行折射和透射，改变了光路传输方向，保持了两束光的偏振态不变，并保持两束光在混频面上重合。

5.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，由1/2波片和偏振分光棱镜组合成的光路，通过旋转1/2波片能够控制输出光的光强，控制输出光的功率，并实现分光比可调。

6.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，分光棱镜由一对高精度直角棱镜胶合而成，分光棱镜改变光路传输方向，并使得两束光完全重合为一束拍频光。

7.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，第三光纤准直器将空间光的拍频光转换为光纤光。

8.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述第一1/2波片和第二1/2波片均镀有780nm 增透膜。

9.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，所述第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜及分光棱镜的所有的光线入射出射表面均镀有780nm 增透膜。

10.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，光纤准直器、1/2波片、偏振分光棱镜、分光棱镜、二维棱镜调整架均安装在隔振光学外壳中，该隔振光学外壳可固定于光学平台上。

11.如权利要求1所述的光路系统，其特征在于，通过拍频方法测量激光频率的稳定度；拍频方法具体为：

技术总结
本发明公开了一种基于光纤耦合的小型化拍频光路系统，用于获取激光器拍频信号。该光路系统的光源由两路光纤光经光纤准直器转化为空间光提供，两束激光分别经过1/2波片后进入偏振分光棱镜，分别经过偏振分光棱镜的折射之后，在一个分光棱镜中汇合得到拍频信号，最后通过光纤准直器转换为光纤光输出到光电探测器，由光电探测器转换为电信号输出。本发明避免了拍频光路搭建复杂，拍频光路体积较大的问题，提高了光路集成性；本发明还利用光纤准直器将光线光转换成空间光的方式，优化了拍频光路，简化了光路调试步骤，减少了不必要的光学元器件，提高了拍频光路模块的通用性。

技术研发人员：周新秀,谢涵,曹朝扬,崔培玲
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16