Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)及精密測(cè)量系統(tǒng)，尤其涉及一種全新的基于光與物質(zhì)非線性作用過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性技術(shù)利用慣性原理實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物理姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量與控制，是慣性儀表、慣性穩(wěn)定、慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測(cè)量等技術(shù)的總稱，是一項(xiàng)具有自主性好、信息全面、實(shí)時(shí)連續(xù)、抗干擾性強(qiáng)等特性的載體運(yùn)動(dòng)信息感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中各類運(yùn)動(dòng)載體慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)控制、定位定向、姿態(tài)穩(wěn)定以及過(guò)載傳感等慣性系統(tǒng)。
[0003]作為慣性系統(tǒng)的核心部件，陀螺儀用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)載體相對(duì)慣性空間的角速度，對(duì)慣性系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵作用。然而，在角速度的測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)典測(cè)量方法因受到量子力學(xué)不確定性原理的限制，導(dǎo)致測(cè)量精度無(wú)法突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限(standard quantum limit,SQL)的限制。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量子限是經(jīng)典物理原理上不可突破的，仔細(xì)設(shè)計(jì)量子過(guò)程則能夠突破這個(gè)極限。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，通常采用以下兩種方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限達(dá)到海森伯極限(Heisenberg limit, HL):
[0004]1)制備特殊的探測(cè)態(tài)，即改變輸入探測(cè)態(tài)的量子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，降低可觀測(cè)量的量子噪聲提高測(cè)量的精度。如:輸入的探測(cè)態(tài)從泊松統(tǒng)計(jì)(Poisson statistics)改變到亞泊松統(tǒng)計(jì)(sub-Poisson statistics)，可使觀測(cè)量的噪聲降低，提高測(cè)量精度。
[0005]2)設(shè)計(jì)特殊的測(cè)量相互作用，即改變耦合哈密頓量的形式，提高輸出信號(hào)的斜率。如:改變線性相互作用為非線性相互作用，通過(guò)提高探測(cè)光的輸出強(qiáng)度增強(qiáng)測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)，尤其是利用光與物質(zhì)非線性作用過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)使用相干光(栗浦光場(chǎng)和信號(hào)光場(chǎng))作為初始入射信號(hào)，首先利用光與作用介質(zhì)單元的非線性過(guò)程，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)相干性與栗浦光場(chǎng)、信號(hào)光場(chǎng)之間的強(qiáng)度和相位關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相位靈敏非線性過(guò)程；隨后將光與物質(zhì)非線性作用過(guò)程與Sagnac效應(yīng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量。
[0007]本發(fā)明第一個(gè)方面提供了一種Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)，包括:
[0008]光源，其用于產(chǎn)生入射光場(chǎng)；其中，第一光源用于產(chǎn)生入射栗浦光場(chǎng)，第二光源用于產(chǎn)生入射信號(hào)光場(chǎng)；
[0009]作用介質(zhì)單元，其用于實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的非線性過(guò)程；所述作用介質(zhì)單元可以是處于基態(tài)的原子、尚子、分子或者量子點(diǎn)等，如S7Rb原子系綜。
[0010]光纖線圈，其用于實(shí)現(xiàn)Sagnac效應(yīng)，感應(yīng)角速度變化；
[0011]光電探測(cè)器，其用于探測(cè)最終產(chǎn)生的干涉信號(hào)；
[0012]極化分束器，其用于光場(chǎng)的分束與合束；其中，第一極化分束器將第一光源和第二光源進(jìn)行空間合束；合束后的光經(jīng)過(guò)作用介質(zhì)單元后，發(fā)生光與物質(zhì)的非線性過(guò)程，實(shí)現(xiàn)入射信號(hào)光場(chǎng)的放大；被放大的信號(hào)光場(chǎng)和透射的栗浦光場(chǎng)經(jīng)過(guò)第二極化分束器分束后，分別沿著光纖線圈相向傳播，并在射出光纖線圈后通過(guò)第二極化分束器合束后入射至作用介質(zhì)單元，發(fā)生第二次光與物質(zhì)的非線性過(guò)程；前后兩次非線性相互作用通過(guò)物質(zhì)相干性發(fā)生關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)最終干涉信號(hào)被光電探測(cè)器探測(cè)，實(shí)現(xiàn)角速度測(cè)量；
[0013]半波片，其用于改變光場(chǎng)的偏振；其中，第一半波片用于改變第一光源的偏振態(tài)；第二半波片，用于改變光纖線圈中相向傳播的信號(hào)光場(chǎng)和栗浦光場(chǎng)的偏振態(tài)，保證信號(hào)光場(chǎng)和栗浦光場(chǎng)在作用介質(zhì)單元中的空間重合。
[0014]其中，第一光源和第二光源是激光器發(fā)出的相干光源，工作在脈沖模式下。
[0015]其中，第一光源和第二光源偏振正交且滿足雙光子共振條件。
[0016]其中，所述第一光源、第二光源都是空間重合的。
[0017]本發(fā)明第二個(gè)方面提供了一種Sagnac角速度測(cè)量方法，包括:
[0018]第一光源栗浦光和第二光源入射信號(hào)光S0通過(guò)極化分束器合束入射到基態(tài)能級(jí)的作用介質(zhì)單元中，實(shí)現(xiàn)非線性過(guò)程；在這個(gè)過(guò)程中，入射信號(hào)光S0被放大成信號(hào)光S1，同時(shí)產(chǎn)生物質(zhì)相干性A1。其中，S1隨入射栗浦光一起出射，離開(kāi)作用介質(zhì)單元到達(dá)極化分束器；物質(zhì)相干性A1保留在作用介質(zhì)單元中；
[0019]信號(hào)光S1和透射的栗浦光在光纖線圈中相向傳播，實(shí)現(xiàn)Sagnac效應(yīng)，完成角速度感應(yīng)。經(jīng)過(guò)半波片和分束器作用后重新返回到作用介質(zhì)單元中的栗浦光、信號(hào)光與物質(zhì)相干性A1相互作用，產(chǎn)生信號(hào)光S2并被光電探測(cè)器探測(cè)，此時(shí)S2光強(qiáng)與待測(cè)角速度引起的相位變化有關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量。
[0020]其中，相互作用的兩條路徑中一條是光場(chǎng)，另外一條是物質(zhì)相干性，光場(chǎng)與物質(zhì)相干性通過(guò)非線性作用過(guò)程產(chǎn)生相位與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)。
[0021]其中，入射的相干光先后兩次經(jīng)過(guò)相互作用介質(zhì)單元，前后兩次非線性相互作用通過(guò)物質(zhì)相干性發(fā)生關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)探測(cè)，完成角速度測(cè)量。
[0022]本發(fā)明系統(tǒng)使用相干光(栗浦光和信號(hào)光)作為初始入射信號(hào)，一方面，利用光與作用介質(zhì)單元的非線性作用過(guò)程，產(chǎn)生物質(zhì)相干性與栗浦光場(chǎng)、信號(hào)光場(chǎng)之間的相位和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相位靈敏非線性過(guò)程；另一方面，將光與物質(zhì)非線性作用過(guò)程與Sagnac效應(yīng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量。
[0023]本系統(tǒng)不僅僅是非線性干涉儀，而且是光-物質(zhì)干涉儀，其靈敏度將遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)陀螺儀。因此，本發(fā)明提出的利用光與物質(zhì)非線性作用過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)信噪比及靈敏度。
[0024]從光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)出發(fā)，本發(fā)明有效的提高系統(tǒng)信噪比及角度測(cè)量靈敏度，使測(cè)量精度突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限并達(dá)到海森伯極限(Heisenberg limit，HL)，為高精度角度測(cè)量的發(fā)展提供了新途徑。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是發(fā)明實(shí)施例中作用介質(zhì)S7Rb原子能級(jí)和相應(yīng)的光頻圖。
[0026]圖2是發(fā)明實(shí)施例中基于銣原子拉曼散射過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3是發(fā)明實(shí)施例中基于銣原子拉曼散射過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施本發(fā)明的過(guò)程、條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識(shí)和公知常識(shí)，本發(fā)明沒(méi)有特別限制內(nèi)容。
[0029]在本發(fā)明Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)中，相互作用介質(zhì)單元可以是處于基態(tài)的原子、離子、分子或者量子點(diǎn)等。本實(shí)施例存儲(chǔ)介質(zhì)單元(10)是制備在基態(tài)的純S7Rb原子系綜。圖1顯示的是S7Rb原子能級(jí)和相應(yīng)的光頻圖。其中，52S1/2、52P1/2、52P3/2為S7Rb原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，F(xiàn) = 1、F = 2為精細(xì)結(jié)構(gòu)5S1/2的超精細(xì)分裂，其能級(jí)差為6.8GHzο虛線所示為S7Rb原子的虛能級(jí)。若要實(shí)現(xiàn)非線性光與原子相位和強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，應(yīng)將原子系綜的初態(tài)全部布居在52S1/2，F(xiàn)= 1基態(tài)能級(jí)。
[0030]非線性過(guò)程可以是拉曼過(guò)程或者四波混頻過(guò)程等。本實(shí)施例中的非線性過(guò)程為拉曼過(guò)程。圖2顯示的是基于銣原子拉曼散射過(guò)程的Sagnac角速度測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明中，包括:第一光源1，第二光源2，極化分束器3、4、5，旋偏器6