一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统

本发明涉及饱和吸收稳频，特别是一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统。

背景技术：

1、光电探测器是广泛应用于光学测量和通信领域的重要组件之一。饱和吸收稳频技术是一种基于光和原子相互作用的频率测量方法，用于测量光频率和其他物理参数。然而，在使用光电探测器进行饱和吸收稳频测量时，存在一些问题需要解决。

2、目前，常规的光电探测器在饱和吸收稳频测量中存在信号直流偏置的问题。这种直流偏置会对测量信号产生不利影响，导致测量结果的精度和稳定性下降。此外，传统的光电探测器在低光强条件下噪声较高，限制了系统的灵敏度和动态范围。因此，需要一种新的技术来提高光电探测器的性能，实现低噪声、高增益和增益可调的消直流偏置光电探测器用于饱和吸收稳频系统。

3、为了解决上述问题，已经提出了一些方法来改善光电探测器的性能。例如，一种常见的方法是使用外部电路来消除直流偏置，但这增加了系统的复杂性并引入了其他干扰。另一种方法是优化光电探测器的设计和制造工艺，以减少噪声和提高增益，但这也受到了技术上的限制。

4、因此，有需要提出一种新的技术来实现低噪声、高增益和增益可调的消直流偏置的光电探测器饱和吸收稳频系统。该系统旨在通过创新的方法和结构设计来克服现有技术的局限性。通过优化光电探测器的电路，该系统能够实现低噪声的信号检测和高增益的信号放大。此外，该系统还具备可调节增益的功能，以适应不同应用场景下的需求。通过消除直流偏置提高系统的灵敏度和信噪比，该系统能够提供准确、可靠的饱和吸收稳频测量结果。该系统的引入将极大地提高饱和吸收稳频测量的精度、稳定性和可靠性，同时具备广泛的应用前景。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，通过将光路发出的探测信号光进入光电探测器，光电探测器将其转换为电信号，之后利用电位器获得直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。

4、所述消直流偏置光电探测器包括光电转换元件，所述光电转换元件的负端接地，所述光电转换元件的正端分别连接第一运算放大器的负向输入端和旋钮开关的光电转换信号输入端，所述旋钮开关通过相互并联的电容网络和电阻网络连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过相互并联的第14电阻和第17电容接地，所述第一运算放大器的输出端通过第12电阻分别连接第11电阻的一端、第17电阻的一端和第二运算放大器的负向输入端，所述第二运算放大器的正向输入端通过第16电阻接地，所述第11电阻的另一端一路连接所述第二运算放大器的输出端，另一路通过第13电阻连接输出接口，所述第17电阻的另一端分别连接第19电阻的一端和第18电容的一端，所述第19电阻的另一端一路通过第19电容接地，另一路连接多圈电位器的滑动端，所述第18电容的另一端接地，所述多圈电位器的第一固定端通过第22电阻一路连接正电压源，另一路通过第20电容接地，所述多圈电位器的第二固定端通过第23电阻一路连接负电压源，另一路通过第21电容接地。

5、所述消直流偏置光电探测器的第一输出端连接示波器，第二输出端连接乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端通过相移电路连接信号发生器，所述乘法器的输出端通过低通滤波器分别连接所述示波器和反馈控制系统，所述反馈控制系统通过频率控制系统连接激光器，所述信号发生器通过激光器电源连接所述激光器。

6、所述消直流偏置光电探测器的输入端通过凸透镜连接偏振分光棱镜的检测光透射侧，所述偏振分光棱镜的检测光入射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜，所述偏振分光棱镜的抽运光入射侧依次通过1/2波片和光隔离器连接激光器，所述偏振分光棱镜的抽运光反射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜。

7、所述激光器发出的激光经过光隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜，通过旋转1/2波片角度进行光强度调节。

8、所述原子气室为铷原子气室，所述原子气室前设置的凹透镜、凸透镜，组合成为扩束和准直光路。

9、所述1/4波片和偏振分光棱镜用于筛选以分隔检测光和反射泵浦光。

10、所述激光器通过激光器控制器进行激光的频率调制。

11、所述反馈控制系统为比例积分pi反馈控制系统，所述光电探测器采集到的信号通过相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到pi反馈控制系统，pi反馈控制系统控制频率控制模块完成稳频操作，所述相敏运算电路通过乘法器、相移电路、信号发生器和低通滤波器组成。

12、本发明的技术效果如下：本发明一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，具有低噪声、高增益、增益可调的特性，通过激光器发出激光作为需要稳频系统的光源，接着激光经过铷原子饱和吸收光路后携带原子谱线信息进入低噪声、高增益、增益可调的消直流偏置光电探测器，光电探测器进行信号的直流偏置消除后输出信号，提后续的信号处理环节。之后通过对信号调制、解调、滤波等操作得到有效误差信号，将误差信号输入激光器反馈控制系统进行稳频控制。所述光电探测器饱和吸收稳频系统具有结构简单、噪声低、灵敏度高、稳频效果好等优点，在微弱磁场测量、量子科学等研究中具有广阔的应用前景。

13、本发明一种低噪声、高增益、增益可调的消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，通过光电探测器的设置来消除信号直流偏置。光路发出的探测信号光进入光电探测器接收后转换为电信号，之后利用电位器获得的直流电压偏置，通过电路与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除光谱信号中直流偏置成分的光电探测器设置。同时系统提供可调节信号增益，实现饱和吸收稳频系统的稳频精度、稳频灵敏度调节。

14、本发明与现有技术相比的优点在于：(1)本发明方案消除探测光信号的直流偏置可以减少信号背景噪声的影响，从而提高信噪比，提高谱线测量的精确性。(2)本发明方案通过降低背景噪声对信号的干扰，可以在更短时间内积累足够的信号量进行测量，从而缩短测量时间。(3)本发明方案消除探测光信号的直流偏置可以提高探测的灵敏度，提高稳频效果。(4)本发明方案操作简单，易于验证。

技术特征：

1.一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。

2.根据权利要求1所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器包括光电转换元件，所述光电转换元件的负端接地，所述光电转换元件的正端分别连接第一运算放大器的负向输入端和旋钮开关的光电转换信号输入端，所述旋钮开关通过相互并联的电容网络和电阻网络连接所述第一运算放大器的输出端，所述第一运算放大器的正向输入端通过相互并联的第14电阻和第17电容接地，所述第一运算放大器的输出端通过第12电阻分别连接第11电阻的一端、第17电阻的一端和第二运算放大器的负向输入端，所述第二运算放大器的正向输入端通过第16电阻接地，所述第11电阻的另一端一路连接所述第二运算放大器的输出端，另一路通过第13电阻连接输出接口，所述第17电阻的另一端分别连接第19电阻的一端和第18电容的一端，所述第19电阻的另一端一路通过第19电容接地，另一路连接多圈电位器的滑动端，所述第18电容的另一端接地，所述多圈电位器的第一固定端通过第22电阻一路连接正电压源，另一路通过第20电容接地，所述多圈电位器的第二固定端通过第23电阻一路连接负电压源，另一路通过第21电容接地。

3.根据权利要求1所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器的第一输出端连接示波器，第二输出端连接乘法器的第一输入端，所述乘法器的第二输入端通过相移电路连接信号发生器，所述乘法器的输出端通过低通滤波器分别连接所述示波器和反馈控制系统，所述反馈控制系统通过频率控制系统连接激光器，所述信号发生器通过激光器电源连接所述激光器。

4.根据权利要求3所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述消直流偏置光电探测器的输入端通过凸透镜连接偏振分光棱镜的检测光透射侧，所述偏振分光棱镜的检测光入射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜，所述偏振分光棱镜的抽运光入射侧依次通过1/2波片和光隔离器连接激光器，所述偏振分光棱镜的抽运光反射侧依次通过凹透镜、凸透镜、原子气室和1/4波片连接反射镜。

5.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述激光器发出的激光经过光隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜，通过旋转1/2波片角度进行光强度调节。

6.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述原子气室为铷原子气室，所述原子气室前设置的凹透镜、凸透镜，组合成为扩束和准直光路。

7.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述1/4波片和偏振分光棱镜用于筛选以分隔检测光和反射泵浦光。

8.根据权利要求4所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述激光器通过激光器控制器进行激光的频率调制。

9.根据权利要求3所述的可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，其特征在于，所述反馈控制系统为比例积分pi反馈控制系统，所述光电探测器采集到的信号通过相敏运算电路解调出信号的一阶微分分量，然后输入到pi反馈控制系统，pi反馈控制系统控制频率控制系统完成稳频操作，所述相敏运算电路通过乘法器、相移电路、信号发生器和低通滤波器组成。

技术总结
一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统，具有低噪声、高增益、增益可调的特性，其特征在于，包括消直流偏置光电探测器，所述消直流偏置光电探测器的输入端连接经过原子气室的探测信号光，所述消直流偏置光电探测器将所述探测信号光转换而成的电信号通过电位器获得直流电压偏置，所述直流电压偏置与探测信号中的直流偏置部分进行抵消，以实现消除直流偏置的光电探测器设置。

技术研发人员：翟跃阳,梁浩然,黄彬越,刘颖
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：2024/1/15