CN114336263B - 一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，该装置包括参考激光器、锁相激光器、锁频单元、锁相单元、声光调制单元、第一合束器和输出单元，锁频单元与参考激光器连接，锁相单元的第一连接端与参考激光器连接，锁相单元的第二连接端及第三连接端分别与锁相激光器的输出端和输入端连接；第一合束器分别与参考激光器和锁相激光器的输出端连接；声光调制单元与第一合束器连接；输出单元与所述第一合束器的输出端连接。该装置通过对参考激光器与锁相激光器的功率比的连续调整，实现对拉曼光的功率比的精准控制，同时，参考激光器的倍频频率ν1的激光占比很小，在不增加额外设备的条件下实现了对边带效应的抑制，简化系统复杂性，节省成本。

Description

一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置及方法

技术领域

本发明涉及拉曼光产生技术领域，具体地说，是涉及一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置及基于该装置的拉曼光产生方法。

背景技术

以拉曼脉冲型冷原子绝对重力仪为例，其基本原理本质是光与原子的相互作用，通过激光操控碱金属原子发生物质波干涉实现重力绝对测量，具有高精度、高灵敏度和良好的长期稳定性等优势，非常适合于地质学、勘探学重力测绘，以及不依赖全球定位系统(GPS)的长航时、深远海重力匹配导航精度校正。冷原子干涉重力仪的一般测量过程为：对碱金属原子进行冷却囚禁和态纯化，然后在其竖直上抛或自由下落的过程中作用一对拉曼光，使运动中的原子团产生分束、态反转和合束。最终，通过对合束后的原子量子态布局数的测量描绘一条相位与原子团运动方向上加速度有关的干涉条纹。该过程中，原子受激进行拉曼跃迁是实现重力测量的关键技术，不同作用时间长度的拉曼光脉冲，充当了原子波包的“分束器”和“反射镜”，从而实现原子干涉。

拉曼激光是两束具有固定频率差和相位差的激光，这两束激光的拍频的相位噪声称为拉曼激光的相位噪声。超高精度的冷原子重力仪要求拉曼激光具有超低相位噪声。国内外绝大多数的拉曼脉冲型冷原子绝对重力仪都采用能级较为简单的铷87原子（⁸⁷Rb）作为工作介质，其拉曼光为一对频率差为6.834GHz的激光束。

目前，产生拉曼光的方案主要有两种：光学锁相法和电光调制法。前者一般是使用两个独立的激光器产生两束激光，通过光学锁相环的方法将它们的拍频锁定到一个超稳晶振（原子钟）的输出信号上，从而实现具有低相位噪声的拉曼激光。后者是只使用一个激光器，通过电光调制器对载波进行边带调制，该电光调制器由超稳晶振驱动，从而产生具有一定频率差的两束激光。由于是对激光载波与边带同源，因此相位差恒定，从而实现低相噪的拉曼激光。

电光调制法是一种使用相位调制器直接对载波进行调制，产生载波、±1级边带和高阶边带的方法，当电光调制器调制频率为碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值时，产生的±1级边带与载波的频差即为上述频率差，可用作拉曼光。公告号为CN108008531B的中国专利公开了一种基于马赫曾德干涉仪的拉曼激光光程匹配系统，该系统提到的电光调制拉曼光产生装置中，激光器输出经过分光棱镜分成两路，一路经过电光调制器和FP腔调制出一级边带，在与另一路合束产生一对拉曼光。单激光器产生拉曼光的方案（CN112421371A）采用较多的1560nm通信波段的产品，如光纤激光器、EDFA、PPLN、光纤相位调制器等，相较于上一种方案在器件上更加成熟稳定，适用的环境更广。但是单台激光器的频率输出较为复杂，需要在原子干涉过程中进行跳频，这会导致激光频率的不稳定。另外，该方案拉曼光采用相位调制器调制产生，不需要的边带会对原子干涉过程产生较大影响，使得重力测量精度下降，即边带效应。消除边带的方法目前有FP腔、IQ调制器、光纤滤波器等，这些方法成本较高，并且技术并不成熟。

光学锁相法在双激光器系统中使用较为广泛，如公开号为CN112835114A的中国专利申请提供了一种带实时振动补偿功能的冷原子干涉重力仪拉曼光输出装置，其具体提供了一种双激光器锁相产生拉曼光的技术方案，从激光器与主激光器采用光学锁相环将频率差锁定与碱金属原子基态两个超精细能级的频率差值上，用于原子干涉的一对拉曼光通过偏振分光棱镜将主激光器和从激光器的输出光合束产生。该方案一般选择780nm的激光器作为光源，该方案具有较强的通用性，参考激光器锁频点固定，频率稳定性高，但也因此需要后续光路提供移频的功能，增加了方案的复杂性。此外，由于采用偏振分光棱镜合束的方案，激光功率损失较为严重，因此需要在激光器后级加上两个TA放大器，这导致了该方案成本较高，且对环境要求较高，增加了系统的不稳定性。

公告号为CN111697422B的中国专利公开了一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统，其给出了另一种使用电光调制器产生拉曼光的方法。激光器输出的激光经过相位调制器后调制出±1级边带，调制频率为6.834GHz，边带与载波可作为一对拉曼光。具体的，该系统包括两台1560nm激光器，其中一台激光器经过EDFA放大和PPLN倍频后，进入稳频模块，实现激光器锁频。另一台激光器通过锁相技术将两台激光器频率锁定在特定频差上。测控激光器采用相位调制器调制出±1级边带，与0级光组成一对拉曼光。该方案结合了前面的两种方案的特点，采用两台1560nm激光器和较多的通信波段光纤器件，参考激光器频率锁在特定原子谱线上，测控激光器采用锁相技术实现激光器频率精确跳频和稳定输出，增加了系统的稳定性。但该方案仍采用相位调制器调制产生拉曼光，产生的边带效应会对原子干涉过程产生较大影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，该装置通过对参考激光器与锁相激光器的功率比的连续调整，实现对拉曼光的功率比的精准控制，同时，参考激光器的倍频频率ν1的激光占比很小，在不增加额外设备的条件下实现了对边带效应的抑制，简化系统复杂性，节省成本。

本发明的第二目的是提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生方法，该方法基于上述装置实施。

基于上述目的，本发明的一个方面，提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，该装置包括参考激光器、锁相激光器、锁频单元、锁相单元、声光调制单元、第一合束器和输出单元，其中，

所述参考激光器用于输出第一频率的光；

所述锁频单元，与参考激光器连接，用以将参考激光器的光线输出频率锁定在第一频率上；

所述锁相激光器，用于输出第二频率的光；

所述锁相单元的第一连接端与参考激光器连接，锁相单元的第二连接端及第三连接端分别与锁相激光器的输出端和输入端连接，用以采用C波段相位锁定技术将参考激光器和锁相激光器进行拍频，从而使锁相激光器的光线输出频率锁定在第二频率上；

所述第一合束器分别与参考激光器和锁相激光器的输出端连接，用于对第一频率的光和第二频率的光进行合束，从而第一合束器输出光束中包含有第一频率的光、第二频率的光以及二者的合频频率的光；

所述声光调制单元，与第一合束器连接，用于连续调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低第一频率的光的功率占比，抑制边带效应；

所述输出单元，与所述第一合束器的输出端连接，用于对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

作为优选，所述声光调制单元包括第一声光调制器及与其连接的可调频率源，所述可调频率源通过调节第一声光调制器的输出功率调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低干扰频率的占比，抑制边带效应。

作为优选，所述输出单元包括顺次连接的EDFA、第一PPLN、第二声光调制器、分光光路及输出端口。

作为优选，所述锁频单元包括顺次连接的第一分束器、第二分束器、相位调制模块、第二PPLN及锁频模块，其中，所述第一分束器的输入端与参考激光器的输出端连接，第一分束器的第一输出端与第二分束器连接，第一分束器的第二输出端与锁相单元连接，所述锁频模块与参考激光器连接。

作为优选，所述相位调制模块包括相位调制器及与其连接的射频源。

作为优选，所述锁相单元包括顺次连接的第三分束器、第二合束器及锁相模块，所述第三分束器的输入端与锁相激光器的输出端连接，第三分束器的第一输出端与第一合束器连接，第三分束器的第二输出端与第二合束器连接，所述锁相模块与锁相激光器连接。

作为优选，所述第一分束器为99:1的光纤分束器，第三分束器为95:5的光纤分束器，第二分束器为90:10的光纤分束器，第一合束器为50:50的光纤合束器，第二合束器为50:50的光纤合束器；具体地，

所述第一分束器的99%输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器的1%输出端与第二合束器连接；第二分束器的90%输出端与相位调制模块连接，第二分束器的10%输出端与声光调制模块连接；第三分束器为95:5的光纤分束器，第三分束器的输入端通过输入光纤与锁相激光器输出端连接，第三分束器的95%输出端与第一合束器连接，第三分束器的5%输出端与第二合束器连接；

第一合束器为50:50的光纤合束器，第一合束器通过输入光纤分别与第三分束器的95%输出端、声光调制模块的输出端连接，第一合束器的输出端通过输出光纤与输出单元连接，声光调制模块的衍射光与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至输出单元；所述第二合束器为50:50的光纤合束器，其通过输入光纤分别与第一分束器的1%输出端和第三分束器的5%输出端连接，第二合束器的输出端通过输出光纤与锁相模块相连，用于将参考激光器与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至锁相模块。

本发明的另一个方面，提供一种基于上述述的用于冷原子干涉的拉曼光产生装置的拉曼光产生方法，该方法包括如下步骤：

开启参考激光器及锁相激光器，分别调整参考激光器和锁相激光器的输出频率，使参考激光器输出参考激光器输出功率约为80mW，锁相激光器的输出功率约为20mW；

开启锁频模块，使参考激光器频率锁定在负一阶边带的铷87 D2线的跃迁谱线过零点上；

开启并调整锁相模块，将参考激光器和锁相激光器的频差保持在6.834GHz并锁定；

开启声光调制模块，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应；

对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

作为优选，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应的具体方法为：开启可调频率源，输出80MHz正弦波信号，并接入声光调制器，开启EDFA，预热30秒后开启出光；调节第一PPLN的温度设定点，使得第一PPLN输出的780nm的激光功率约为1W；

将第一PPLN的输出光接入FP腔，测量输出光中各频率成分的幅度比，调节声光调制器的驱动功率，使得锁相激光器输出频率与合频频率比约为1.8:1，此时参考激光器输出频率与本地噪声水平相当。

作为优选，对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出具体包括：

在第二声光调制器上加载一个80MHz的射频信号，功率大于30dBm，再将衍射光输出至分光光路，经过分光后耦合进保偏光纤，输送至真空系统用于原子干涉。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过对参考激光器与锁相激光器的功率比的连续调整，实现对拉曼光的功率比的精准控制，更重要的是，采用该装置产生的拉曼光，参考激光器的倍频频率ν1的激光占比很小，在不增加额外设备的条件下实现了对边带效应的抑制，使得应用测量误差降低一个数量级。此外，该装置还简化了系统复杂性，节省成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例中所述的用于冷原子干涉的拉曼光产生装置的连接结构图；

图2是本发明实施例中参考激光器的倍频频率ν1，参考激光器和锁相激光器合频的倍频频率ν2、锁相激光器的倍频频率ν3的示意图；

图3是本发明实施例中F-P腔实测第一PPLN输出激光频率成分占比，其中，ν2、ν3作为拉曼光。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

基于背景技术中的问题及本发明的技术方案，本实施例首先提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，该装置包括参考激光器、锁相激光器、锁频单元、锁相单元、声光调制单元、第一合束器和输出单元，其中，

所述参考激光器用于输出第一频率的光；

所述锁频单元，与参考激光器连接，用以将参考激光器的光线输出频率锁定在第一频率上；

所述锁相激光器，用于输出第二频率的光；

所述锁相单元的第一连接端与参考激光器连接，锁相单元的第二连接端及第三连接端分别与锁相激光器的输出端和输入端连接，用以采用C波段相位锁定技术将参考激光器和锁相激光器进行拍频，从而使锁相激光器的光线输出频率锁定在第二频率上；

所述第一合束器分别与参考激光器和锁相激光器的输出端连接，用于对第一频率的光和第二频率的光进行合束，从而第一合束器输出光束中包含有第一频率的光、第二频率的光以及二者的合频频率的光；

所述声光调制单元，与第一合束器连接，用于连续调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低第一频率的光的功率占比，抑制边带效应；

所述输出单元，与所述第一合束器的输出端连接，用于对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

作为一种较优的实施方式，所述声光调制单元包括第一声光调制器及与其连接的可调频率源，所述可调频率源通过调节第一声光调制器的输出功率调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低干扰频率的占比，抑制边带效应。

作为一种较优的实施方式，所述输出单元包括顺次连接的EDFA、第一PPLN、第二声光调制器、分光光路及输出端口。

作为一种较优的实施方式，所述锁频单元包括顺次连接的第一分束器、第二分束器、相位调制模块、第二PPLN及锁频模块，其中，所述第一分束器的输入端与参考激光器的输出端连接，第一分束器的第一输出端与第二分束器连接，第一分束器的第二输出端与锁相单元连接，所述锁频模块与参考激光器连接。

作为一种较优的实施方式，所述相位调制模块包括相位调制器及与其连接的射频源。

作为一种较优的实施方式，所述锁相单元包括顺次连接的第三分束器、第二合束器及锁相模块，所述第三分束器的输入端与锁相激光器的输出端连接，第三分束器的第一输出端与第一合束器连接，第三分束器的第二输出端与第二合束器连接，所述锁相模块与锁相激光器连接。

作为一种较优的实施方式，所述第一分束器为99:1的光纤分束器，第三分束器为95:5的光纤分束器，第二分束器为90:10的光纤分束器，第一合束器为50:50的光纤合束器，第二合束器为50:50的光纤合束器；具体地，

所述第一分束器的99%输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器的1%输出端与第二合束器连接；第二分束器的90%输出端与相位调制模块连接，第二分束器的10%输出端与声光调制模块连接；第三分束器为95:5的光纤分束器，第三分束器的输入端通过输入光纤与锁相激光器输出端连接，第三分束器的95%输出端与第一合束器连接，第三分束器的5%输出端与第二合束器连接；

第一合束器为50:50的光纤合束器，第一合束器通过输入光纤分别与第三分束器的95%输出端、声光调制模块的输出端连接，第一合束器的输出端通过输出光纤与输出单元连接，声光调制模块的衍射光与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至输出单元；所述第二合束器为50:50的光纤合束器，其通过输入光纤分别与第一分束器的1%输出端和第三分束器的5%输出端连接，第二合束器的输出端通过输出光纤与锁相模块相连，用于将参考激光器与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至锁相模块。

本实施例还提供一种基于上述述的用于冷原子干涉的拉曼光产生装置的拉曼光产生方法，该方法包括如下步骤：

开启参考激光器及锁相激光器，分别调整参考激光器和锁相激光器的输出频率，使参考激光器输出参考激光器输出功率约为80mW，锁相激光器的输出功率约为20mW；

开启锁频模块，使参考激光器频率锁定在负一阶边带的铷87 D2线的跃迁谱线过零点上；

开启并调整锁相模块，将参考激光器和锁相激光器的频差保持在6.834GHz并锁定；

开启声光调制模块，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应；

对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

作为一种较优的实施方式，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应的具体方法为：开启可调频率源，输出80MHz正弦波信号，并接入声光调制器，开启EDFA，预热30秒后开启出光；调节第一PPLN的温度设定点，使得第一PPLN输出的780nm的激光功率约为1W；

将第一PPLN的输出光接入FP腔，测量输出光中各频率成分的幅度比，调节声光调制器的驱动功率，使得锁相激光器输出频率与合频频率比约为1.8:1，此时参考激光器输出频率与本地噪声水平相当。

作为一种较优的实施方式，对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出具体包括：

在第二声光调制器上加载一个80MHz的射频信号，功率大于30dBm，再将衍射光输出至分光光路，经过分光后耦合进保偏光纤，输送至真空系统用于原子干涉。

以对铷87原子进行干涉为例，本实施例拉曼光产生装置组成如图1所示，该装置主要由参考激光器、锁相激光器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第一合束器、第二合束器、锁相模块、相位调制器、射频源、第二PPLN1、锁频模块、第一声光调制器、可调频率源、EDFA、第一PPLN、第二声光调制器、分光光路等部分组成。两台激光器均为1560nm光纤激光器，其中参考激光器双调制边带锁频技术将参考频率锁定在-1级边带的铷87原子跃迁能级上。锁相激光器与参考激光器采用C波段相位锁定技术，通过锁相模块实现两台激光器之间的相位差和频率差恒定。参考激光器的部分输出光经过光纤声光调制器1后与锁相激光器的部分输出光合束，然后进入EDFA放大，再输入第一PPLN倍频，此时输出的780nm的激光束包含三种频率成分的激光，如图2所示，ν1为参考激光器的倍频频率，ν2为参考激光器和锁相激光器合频的倍频频率，ν3为锁相激光器的倍频频率。通过调节光纤声光调制器1的输出功率，可以调节三种频率成分的激光的功率比。降低ν1的激光功率，将ν2和ν3作为一对拉曼光。输出光经过声光调制器移频和分光光路后，输出至真空用于原子干涉。

本实施例所述的参考激光器是一台输出波长为1560nm的半导体激光器或光纤激光器，包含温度控制模块、电流控制模块和激光谐振腔，包含至少一个电流或压电陶瓷反馈控制端口，可对激光器输出波长进行调制。所述参考激光器最大输出功率大于80mW，电流调谐范围大于2GHz。

本实施例所述的锁相激光器是一台输出波长为1560nm的半导体激光器或光纤激光器，包含温度控制模块、电流控制模块和激光谐振腔。包含至少一个电流或PZT反馈控制端口，可对激光器输出波长进行调制。所述参考激光器最大输出功率大于20mW，电流调谐范围大于5GHz，电流反馈带宽大于1MHz。

本实施例所述的分束器1是99:1的光纤分束器，光纤为保偏光纤。输入光纤与参考激光器输出相连接，99%输出端与第二分束器连接，1%输出端与合束器1连接，连接方式可直接熔接或法兰连接。

本实施例所述的第二分束器是90:10的光纤分束器，光纤为保偏光纤。输入光纤与第一分束器的99%输出端相连，90%输出端与相位调制器连接，10%输出端与第一声光调制器连接，连接方式可直接熔接或法兰连接。

本实施例所述的第三分束器是95:5的光纤分束器，光纤为保偏光纤。输入光纤与锁相激光器输出相连接，95%输出端与第一合束器连接，5%输出端与第二合束器连接，连接方式可直接熔接或法兰连接。

本实施例所述的第一合束器是50:50的光纤合束器，光纤为保偏光纤。输入光纤分别与第一分束器的95%输出端和声光调制器输出端连接，输出光纤与EDFA相连，连接方式可直接熔接或法兰连接。该第一合束器将声光调制器的衍射光与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至EDFA中放大。

本发明所述的第二合束器是50:50的光纤合束器，光纤为保偏光纤。输入光纤分别与第一分束器的1%输出端和第三分束器的5%输出端连接，输出光纤与锁相模块相连，连接方式可直接熔接或法兰连接。该第二合束器将参考激光器与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至锁相模块。

本实施例所述的锁相模块包含光电探测器、射频放大器、混频器、底噪参考源、鉴相电路和第一PID反馈控制电路，可以将第二合束器输出的光信号探测其中的拍频成分并转化成电信号，经过放大器放大后与底噪参考源的输出信号混频、鉴相，得到两台激光器的相位误差信号，根据该误差信号，PID反馈控制电路输出对应的电压或电流信号反馈给锁相激光器，从而快速补偿相位的偏移，保持相位差恒定。

本实施例所述的相位调制器是一种利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(LiNb03)、砷化稼晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTa03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对光信号的相位调制。本发明所述的相位调制器由射频源输出的射频电压进行驱动，该射频源可输出5.8~6.2GHz的高频信号，使得经过相位调制器的激光产生对应高频信号的多阶边带，并且边带幅值随着阶数的增加而降低。

本实施例所述的射频源包含超稳参考源、频率合成器、射频放大器等部件，是一种可以产生5.8~6.2GHz的高频信号的低噪声射频发生器，参考信号为10MHz原子钟或超稳晶振的输出信号。

本实施例所述的第二PPLN是一种高效的波长转换非线性光学晶体，一般由周期极化铌酸锂晶体或周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体制成，可用于光信号的倍频、差频、和频及光学参量振荡和光学参量放大等。本发明所述的PPLN1包含PPLN波导和温度控制器，可以将输入的1560nm的激光倍频至780nm，用于激光频率锁定；在最佳温度点时，该第二PPLN的倍频效率可达10%。

本实施例所述的锁频模块包含光谱光路、光电探测器、放大器、解调器、第二PID控制电路等，是一种通过铷原子吸收跃迁特性将经过调制的光频率信号转化成光强信号，再通过光电探测器将光强信号转化为电信号，再经过放大解调后得到光频率与原子跃迁频率的差值，根据该误差信号，PID反馈控制电路输出对应的电压或电流信号反馈给参考激光器，从而快速补偿激光频率的偏移，保持激光频率长时间恒定。本发明所述的锁频方式可以是调制转移光谱、双调制边带调频光谱、饱和吸收谱等。本实施例所述的原子跃迁谱线可以是铷原子的共振跃迁峰或交叉峰。本实施例所述的光谱光路可以是空间自由光路或者光纤环路。

本实施例所述的第一声光调制器是一种涵盖1560nm波段的光纤声光调制器，由介质、换能器、吸收（或反射）装置及驱动源等组成。换能器可以利用一些压电晶体的反压电效应，将驱动源的输出电场信号转化成机械波，当一束激光通过机械波场时，由于光和机械波场的相互作用，其出射光在空间上就产生出了各级衍射光。相邻级次衍射光的频率差即为驱动源的输出频率，且衍射光强度随驱动信号强度增加而增强。

本实施例所述的可调频率源为第一声光调制器的驱动源，可以输出80MHz的正弦波信号，并且输出功率延续可调。

本实施例所述的EDFA是一种低噪声的掺铒光纤放大器，其基本原理是铒离子吸收泵浦光的能量，实现粒子数反转分布，受激辐射产生与入射种子激光完全相同的光子，实现激光功率的放大。EDFA输入端与第一合束器的输出端相连，输出端与第一PPLN相连，连接方式可直接熔接或法兰连接。

本实施例所述的第一PPLN原理与第二PPLN一致，可将放大后的1560nm的激光倍频至780nm，用于原子干涉。第一PPLN输出的780nm的激光束包含三种频率成分的激光，如图2和图3所示，ν1为参考激光器的倍频频率，ν2为参考激光器和锁相激光器的合频频率，ν3为锁相激光器的倍频频率。通过调节第一声光调制器的输出功率，可以调节三种频率成分的激光的功率比。降低ν1的激光功率，将ν2和ν3作为一对拉曼光。

本实施例所述的第二声光调制器原理与第一声光调制器一致，传输形式可以是空间自由光或光纤传输。

本实施例所述的分光光路包含PBS分光组、光纤耦合调节器、偏振控制器、高速机械开关等部件，可以实现对输入激光的光功率分配、开关，最后耦合进入保偏光纤，通过光纤传送至真空，用于原子干涉。分光光路传输形式可以是空间光传输或光纤传输。

本实施例所述的拉曼光产生过程可以具体按照如下步骤进行：

开启两台1560nm激光器，其中参考激光器输出功率约为80mW，锁相激光器输出功率约为20mW。

开启射频源，输出6GHz的射频信号，将相位调制器的输出光接入FP腔，测量一阶边带与载波的幅度比，调节射频源输出功率，使得一阶边带与载波的幅度比约为2:1。

将相位调制器的输出接入第二PPLN，调节温度设定点，使得第二PPLN输出的780nm的激光功率约为2~3mW。

开启锁频模块，并将第二PPLN的输出光接入模块，打开PID1反馈控制模块，找到负一阶边带的铷87 D2线的跃迁谱线，并将参考激光器频率锁定在该谱线过零点上。

开启锁相模块，测量第一合束器的输出光功率约为0.9mW，并接入锁相模块，打开第二PID反馈控制模块，将两台激光器频差保持在6.834GHz并锁定。

开启可调频率源，输出80MHz正弦波信号，并接入第一声光调制器，开启EDFA，预热30秒后开启出光；调节第一PPLN的温度设定点，使得第一PPLN输出的780nm的激光功率约为1W。

将第一PPLN的输出光接入FP腔，测量输出光中各频率成分的幅度比，调节第一声光调制器的驱动功率，使得ν3：ν2≈1.8:1，如图3所示，此时ν1几乎与本地噪声水平相当。

在第二声光调制器上加载一个80MHz的射频信号，功率大于30dBm，再将衍射光输出分光光路，经过分光后耦合进保偏光纤，输送至真空系统用于原子干涉。

综上所述，本发明通过对参考激光器与锁相激光器的功率比的连续调整，实现对拉曼光的功率比的精准控制，更重要的是，采用该装置产生的拉曼光，参考激光器的倍频频率ν1的激光占比很小，在不增加额外设备的条件下实现了对边带效应的抑制，使得应用测量误差降低一个数量级。此外，该装置还简化了系统复杂性，节省成本。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，

包括参考激光器、锁相激光器、锁频单元、锁相单元、声光调制单元、第一合束器和输出单元，其中，

所述参考激光器用于输出第一频率的光；

所述锁频单元，与参考激光器连接，用以将参考激光器的光线输出频率锁定在第一频率上；

所述锁相激光器，用于输出第二频率的光；

所述锁相单元的第一连接端与参考激光器连接，锁相单元的第二连接端及第三连接端分别与锁相激光器的输出端和输入端连接，用以采用C波段相位锁定技术将参考激光器和锁相激光器进行拍频，从而使锁相激光器的光线输出频率锁定在第二频率上；

所述第一合束器分别与参考激光器和锁相激光器的输出端连接，用于对第一频率的光和第二频率的光进行合束，从而第一合束器输出光束中包含有第一频率的光、第二频率的光以及二者的合频频率的光；

所述声光调制单元，与第一合束器连接，用于连续调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低第一频率的光的功率占比，抑制边带效应；

所述输出单元，与所述第一合束器的输出端连接，用于对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

2.根据权利要求1所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，所述声光调制单元包括第一声光调制器及与其连接的可调频率源，所述可调频率源通过调节第一声光调制器的输出功率调节合束器中各频率成分激光的功率比，以降低干扰频率的占比，抑制边带效应。

3.根据权利要求2所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，所述输出单元包括顺次连接的EDFA、第一PPLN、第二声光调制器、分光光路及输出端口。

4.根据权利要求3所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，所述锁频单元包括顺次连接的第一分束器、第二分束器、相位调制模块、第二PPLN及锁频模块，其中，所述第一分束器的输入端与参考激光器的输出端连接，第一分束器的第一输出端与第二分束器连接，第一分束器的第二输出端与锁相单元连接，所述锁频模块与参考激光器连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，所述相位调制模块包括相位调制器及与其连接的射频源。

6.根据权利要求4所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，所述锁相单元包括顺次连接的第三分束器、第二合束器及锁相模块，所述第三分束器的输入端与锁相激光器的输出端连接，第三分束器的第一输出端与第一合束器连接，第三分束器的第二输出端与第二合束器连接，所述锁相模块与锁相激光器连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生装置，其特征在于，

所述第一分束器为99:1的光纤分束器，第三分束器为95:5的光纤分束器，第二分束器为90:10的光纤分束器，第一合束器为50:50的光纤合束器，第二合束器为50:50的光纤合束器；具体地，

所述第一分束器的99%输出端与第二分束器的输入端连接，第一分束器的1%输出端与第二合束器连接；第二分束器的90%输出端与相位调制模块连接，第二分束器的10%输出端与声光调制模块连接；第三分束器为95:5的光纤分束器，第三分束器的输入端通过输入光纤与锁相激光器输出端连接，第三分束器的95%输出端与第一合束器连接，第三分束器的5%输出端与第二合束器连接；

第一合束器为50:50的光纤合束器，第一合束器通过输入光纤分别与第三分束器的95%输出端、声光调制模块的输出端连接，第一合束器的输出端通过输出光纤与输出单元连接，声光调制模块的衍射光与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至输出单元；所述第二合束器为50:50的光纤合束器，其通过输入光纤分别与第一分束器的1%输出端和第三分束器的5%输出端连接，第二合束器的输出端通过输出光纤与锁相模块相连，用于将参考激光器与锁相激光器的部分输出光各取50%耦合进输出光纤中，送至锁相模块。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的用于冷原子干涉的拉曼光产生装置的拉曼光产生方法，其特征在于，包括如下步骤：

开启参考激光器及锁相激光器，分别调整参考激光器和锁相激光器的输出频率，使参考激光器输出参考激光器输出功率为80mW，锁相激光器的输出功率为20mW；

开启锁频模块，使参考激光器频率锁定在负一阶边带的铷87D2线

5²S_1/2，F=1→5²S_3/2，F’=1的跃迁谱线过零点上；

开启并调整锁相模块，将参考激光器和锁相激光器的频差保持在6.834GHz并锁定；

开启声光调制模块，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应；

对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出。

9.根据权利要求8所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生方法，其特征在于，调节第一合束器中各频率成分激光的功率比，抑制边带效应的具体方法为：开启可调频率源，输出80MHz正弦波信号，并接入声光调制器，开启EDFA，预热30秒后开启出光；调节第一PPLN的温度设定点，使得第一PPLN输出的780nm的激光功率为1W；

将第一PPLN的输出光接入FP腔，测量输出光中各频率成分的幅度比，调节声光调制器的驱动功率，使得锁相激光器输出频率与合频频率比为1.8:1，此时参考激光器输出频率与本地噪声水平一致。

10.根据权利要求8或9所述的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光产生方法，其特征在于，对合束后的光线进行处理得到冷原子干涉仪所需拉曼光并输出具体包括：

在第二声光调制器上加载一个80MHz的射频信号，功率大于30dBm，再将衍射光输出至分光光路，经过分光后耦合进保偏光纤，输送至真空系统用于原子干涉。