CN104298045B - 一种拉曼激光系统以及基于调频连续波的光程差自动调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉曼激光系统以及基于调频连续波的光程差自动调节方法，包括激光光源、PZT控制器、隔离器、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第四半透半反镜、第一反射镜、第二反射镜、RF控制器、电光调制器、光电探测器、滑轨控制器、可控滑轨；PZT控制器的输出端与激光光源的输入端相连，RF控制器的输出端与电光调制器的输入端相连，光电探测器的输出端与滑轨控制器的输入端相连，滑轨控制器的输出端与可控滑轨的输入端相连；本发明实现了拉曼激光系统中光程差的自动调节和补偿，降低了光程调整的操作难度，提高了光程差调整的速度和精度。

Description

一种拉曼激光系统以及基于调频连续波的光程差自动调节 方法

技术领域

本发明涉及一种拉曼激光系统以及基于调频连续波的光程差自动调节方法，属于原子干涉仪技术领域。

背景技术

原子干涉仪是基于物质波干涉原理，利用激光对冷原子束进行分束、反射、合束从而实现原子的干涉。原子干涉仪可以精密测量物理常数，检验量子力学和广义相对论等基本物理理论。由于原子具有质量，原子干涉仪还可以作为灵敏的惯性传感器，可精确测量重力加速度、角速度等，从而在导航、探矿、地震预报、环境监察方面有重要应用。

通常使用拉曼激光对原子束进行分束、反射以及合束。拉曼激光是两束具有固定频率差的激光。可以使用一个激光器产生激光，然后将其分为两束，在各自的路径上使用声光调制器和电光调制器对激光进行移频，获得具有固定频差的拉曼激光。这两束激光之间的光程差越小，其对激光光源的线宽要求越低，从而能有效降低系统相位噪声的影响，提高原子干涉仪的灵敏度。

一般通过手动测量两束激光传输路径的长度来减小它们的光程差。当光路中存在透镜或者电光调制晶体时很难对总的光程进行精确测量，因此这种方法存在效率低，精度差以及无法实现光程差自动调节的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于马赫-曾德和迈克尔逊混合型干涉仪的拉曼激光系统以及基于调频连续波的光程差自动调节方法，可以用于拉曼激光系统中光程差的检测、调节和补偿。

一种拉曼激光系统，包括激光光源、PZT控制器、隔离器、第一半透半反镜、 第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一反射镜、第四半透半反镜、第二反射镜、RF控制器、电光调制器、光电探测器、滑轨控制器、可控滑轨；

PZT控制器的输出端与激光光源的输入端相连，激光光源输出激光进入隔离器的输入端，隔离器输出激光进入第一半透半反镜，第一半透半反镜形成透射激光和反射激光，透射激光进入电光调制器，RF控制器的输出端与电光调制器的输入端相连，电光调制器的输出激光进入第二半透半反镜，第二半透半反镜形成透射激光，透射激光进入第二反射镜，第二反射镜形成反射激光，反射激光进入第二半透半反镜形成反射激光，第二半透半反镜的反射激光进入第四半透半反镜，第四半透半反镜形成透射激光和反射激光，反射激光进入光电探测器，第一半透半反镜的反射激光进入第三半透半反镜，第三半透半反镜形成透射激光和反射激光，透射激光进入第一反射镜，第一反射镜形成反射激光，反射激光进入第三半透半反镜形成反射激光，第三半透半反镜的反射激光进入第四半透半反镜，第四半透半反镜的透射激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与滑轨控制器的输入端相连，滑轨控制器的输出端与可控滑轨的输入端相连。

一种基于调频连续波的光程差自动调节方法，PZT控制器对激光光源输出激光的频率进行三角波调制，在频率上升时间(0，T_m)内激光的频率为：

ω(t)＝αt+ω₀ (1.1)

其中：T_m为频率调制的半周期，ω₀为激光的最低频率，α＝Δω/T_m，为频率调制速度，Δω为激光频率最大偏移量；

激光经过第一半透半反镜后分为功率相等的两束激光，其中一束激光先被第一半透半反镜反射后，透过第三半透半反镜由第一反射镜反射回第三半透半反镜，该激光束称作参考光，然后该激光束先后于第三半透半反镜处反射，于第四半透半反镜处透射后被光电探测器接收，参考光的电场相位为：

其中：φ₀为激光的初始相位；

其电场方程为：

其中：E₀₁为激光的振幅；

另外一束激光称为信号光，信号光先依次透过第一半透半反镜、电光调制器、第二半透半反镜，然后被位于可控滑轨上的第二反射镜反射回第二半透半反镜，该激光再依次由第二半透半反镜和第四半透半反镜反射后被光电探测器接收；

将参考光和信号光的光程差记为l，参考光和信号光的时间延时τ＝l/c，信号光的电场为：

其中：E₀₂为信号光的振幅；

参考光和信号光拍频后由光电探测器将拍频光信号转换为电流信号，拍频光电流信号为：

其中，I₀为光电流的平均强度，I₀＝I₁+I₂，I₁和I₂分别为参考光和信号光的光电流强度，V为拍频信号的对比度，

设τ＜＜1，忽略τ的二阶小量，记ω_b＝ατ，φ_b＝ω₀τ，拍频光电流写为：

I_r(τ,t)＝I₀[1+Vcos(ω_bt+φ_b)] (1.6)

同理，在频率下降的时间(T_m，2T_m)内，拍频光电流写为：

I_f(τ,t)＝I₀[1+Vcos(-ω_bt+φ_b)] (1.7)

光电流信号进入滑轨控制器，滑轨控制器对该信号进行处理后获得信号的频率信息，然后根据频率的大小输出控制信号，通过控制信号控制可控滑轨上第二反射镜的位置，完成光程差的自动调节与补偿。

本发明的优点：

(1)实现了拉曼激光系统中光程差的自动调节和补偿；

(2)降低了光程调整的操作难度，提高了光程差调整的速度和精度；

附图说明

图1是基于调频连续波的拉曼激光系统光程差自动调节方法框图；

图2是基于调频连续波的各干涉光和拍频光的频率关系图；

图3是基于调频连续波的调制信号和拍频光电流信号时域关系图

图中：

1-激光光源	2-PZT控制器	3-隔离器
			4-第一半透半反镜	5-电光调制器	6-RF控制器
7-第二半透半反镜	8-第三半透半反镜	9-第一反射镜
			10-第四半透半反镜	11-第二反射镜	12-可控滑轨
13-滑轨控制器	14-光电探测器

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种拉曼激光系统，如图1所示，包括激光光源1、PZT控制器2、隔离器3、第一半透半反镜4、第二半透半反镜7、第三半透半反镜8、第一反射镜9、第四半透半反镜10、第二反射镜11、RF控制器6、电光调制器5、光电探测器14、滑轨控制器13、可控滑轨12。

PZT控制器2的输出端与激光光源1的输入端相连，激光光源1输出激光进入隔离器3的输入端，隔离器3输出激光进入第一半透半反镜4，第一半透半反镜4形成透射激光和反射激光，透射激光进入电光调制器5，RF控制器6的输出端与电光调制器5的输入端相连，电光调制器5的输出激光进入第二半透半反镜7，第二半透半反镜7形成透射激光，透射激光进入第二反射镜11，第二反射镜11形成反射激光，反射激光进入第二半透半反镜7形成反射激光，第二半透半反镜7的反射激光进入第四半透半反镜10，第四半透半反镜10形成透射激光和反射激光，反射激光进入光电探测器14，第一半透半反镜4的反射激光进入第三半透半反镜8，第三半透半反镜8形成透射激光，透射激光进入第一反射镜9，第一反射镜9形成反射激光，反射激光进入第三半透半反镜8，第三半透半反镜8的反射激光进入第四半透半 反镜10，第四半透半反镜10的透射激光进入光电探测器14，光电探测器14的输出端与滑轨控制器13的输入端相连，滑轨控制器13的输出端与可控滑轨12的输入端相连。其中，半透半反镜4、7、8、10构成了典型的马赫-曾德干涉仪，而反射镜9、11和上述半透半反镜一起构成了迈克尔逊干涉仪。马赫-曾德干涉仪的上侧光路通过电光调制器产生激光频率偏移；迈克尔逊干涉仪的右端反射镜位置通过反馈系统进行自动控制，实现光程差的自动调节。

工作过程：

PZT控制器2对激光光源1输出激光的频率进行调节，激光经过隔离器3后由第一半透半反镜4分为两束，其中一束激光先被第一半透半反镜4反射后，透过第三半透半反镜8进入第一反射镜9，然后由第一反射镜9反射回第三半透半反镜8，然后该激光束在第三半透半反镜8处反射，该反射激光于第四半透半反镜10处透射后被光电探测器11接收。

另外一束激光先依次透过第一半透半反镜4、电光调制器5、第二半透半反镜7，然后被位于可控滑轨12上的第二反射镜11反射回第二半透半反镜7，再依次由第二半透半反镜7和第四半透半反镜10反射后被光电探测器14接收。

两束激光在光电探测器14处进行拍频，然后拍频信号转换为电信号，该电信号被送入滑轨控制器13，滑轨控制器13对信号进行处理后输出相应的控制信号控制可控滑轨12，从而调节第二反射镜11的位置，使得两束激光的光程差趋近于零。

一种基于调频连续波的光程差自动调节方法，PZT控制器2对激光光源1输出激光的频率进行三角波调制，如图2所示，其中：信号光和参考光分别为图1中上、下两路激光，拍频光为进入探测器的激光信号，T_m为频率调制的半周期，ω₀为激光的最低频率，Δω为激光频率最大偏移量，τ为参考光的信号光之间的时间延迟，在频率上升时间(0，T_m)内激光的频率可描述为：

ω(t)＝αt+ω₀ (1.1)

其中：α＝Δω/T_m，为频率调制速度，Δω为激光频率最大偏移量，T_m频率调制的半周期。

激光经过第一半透半反镜4后分为功率相等的两束激光。其中一束激光先被第一半透半反镜4反射后，透过第三半透半反镜8由第一反射镜9反射回第三半透半反镜8，然后该激光束(称作参考光)先后于第三半透半反镜8处反射，于第四半透半反镜10处透射后被光电探测器14接收。参考光的电场的相位可描述为：

其中：ω₀为激光的初始频率，φ₀为激光的初始相位。

因此其电场方程可写为：

其中：E₀₁为激光的振幅。

另外一束激光(称为信号光)先依次透过第一半透半反镜4、电光调制器5、第二半透半反镜7，然后被位于可控滑轨12上的第二反射镜11反射回第二半透半反镜7，该激光再依次由第二半透半反镜7和第四半透半反镜10反射后被光电探测器14接收。

参考光和信号光都各自经过了3次反射，2次透射，因此它们在光路上是互易的。将参考光和信号光的光程差记为l，那么它们之间存在的时间延时τ＝l/c，信号光的电场则可写为：

其中：E₀₂为信号光的振幅。

这两束激光拍频后由光电探测器14将拍频光信号转换为电流信号，拍频光电流信号可描述为下式：

其中，I₁和I₂分别为参考光和信号光的光电流强度，I₀为光电流的平均强度(I₀＝I₁+I₂)，V为拍频信号的对比度

一般来说，τ＜＜l，因此可以忽略τ的二阶小量。记ω_b＝ατ，φ_b＝ω₀τ，那么拍频光电流可以写为：

I_r(τ,t)＝I₀[1+Vcos(ω_bt+φ_b)] (1.6)

同理，在频率下降的时间(T_m，2T_m)内，拍频光电流可以写为：

I_f(τ,t)＝I₀[1+Vcos(-ω_bt+φ_b)] (1.7)

拍频光电流的交流分量的频率ω_b由激光频率上升的斜率α以及两束激光光程差导致的延时τ有关。调制信号与拍频光电流信号的时域关系如图3所示。另一方面，光电流信号进入滑轨控制器13，滑轨控制器13对该信号进行处理后获得信号的频率信息，然后根据频率的大小输出相应的控制信号，用于控制可控滑轨12上第二反射镜11的位置，从而完成光程差的自动调节与补偿。由(1.6)式可知，当参考光和信号光之间的光程差为零时，拍频光电流信号的频率降低到0，也即变为直流信号，因此可以根据拍频光电流的频率特性来判断光程差是否已经减小到零，实现光程差的自动调零与补偿。

Claims (2)

1.一种拉曼激光系统，包括激光光源、PZT控制器、隔离器、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜、第一反射镜、第四半透半反镜、第二反射镜、RF控制器、电光调制器、光电探测器、滑轨控制器、可控滑轨；

PZT控制器的输出端与激光光源的输入端相连，激光光源输出激光进入隔离器的输入端，隔离器输出激光进入第一半透半反镜，第一半透半反镜输出透射激光和反射激光，透射激光进入电光调制器，RF控制器的输出端与电光调制器的输入端相连，电光调制器的输出激光进入第二半透半反镜，第二半透半反镜输出透射激光，第二半透半反镜输出的透射激光进入第二反射镜，第二反射镜输出反射激光，第二反射镜输出的反射激光进入第二半透半反镜输出反射激光，第二半透半反镜的反射激光进入第四半透半反镜，第四半透半反镜输出透射激光和反射激光，第四半透半反镜输出的反射激光进入光电探测器，第一半透半反镜的反射激光进入第三半透半反镜，第三半透半反镜输出透射激光和反射激光，第三半透半反镜输出的透射激光进入第一反射镜，第一反射镜输出反射激光，第一反射镜输出的反射激光进入第三半透半反镜输出反射激光，第三半透半反镜的反射激光进入第四半透半反镜，第四半透半反镜的透射激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与滑轨控制器的输入端相连，滑轨控制器的输出端与可控滑轨的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种拉曼激光系统，其特征在于：PZT控制器对激光光源输出激光的频率进行三角波调制，在频率上升时间(0，T_m)内激光的频率为：

ω(t)＝αt+ω₀ (1.1)

其中：T_m为频率调制的半周期，ω₀为激光的最低频率，α＝Δω/T_m，为频率调制速度，Δω为激光频率最大偏移量；

激光经过第一半透半反镜后分为功率相等的两束激光，其中一束激光先被第一半透半反 镜反射后，透过第三半透半反镜由第一反射镜反射回第三半透半反镜，该激光束称作参考光，然后该激光束先后于第三半透半反镜处反射，于第四半透半反镜处透射后被光电探测器接收，参考光的电场相位为：

其中：φ₀为激光的初始相位；

其电场方程为：

其中：E₀₁为激光的振幅；

另外一束激光称为信号光，信号光先依次透过第一半透半反镜、电光调制器、第二半透半反镜，然后被位于可控滑轨上的第二反射镜反射回第二半透半反镜，该激光再依次由第二半透半反镜和第四半透半反镜反射后被光电探测器接收；

将参考光和信号光的光程差记为l，参考光和信号光的时间延时τ＝l/c，信号光的电场为：

其中：E₀₂为信号光的振幅；

参考光和信号光拍频后由光电探测器将拍频光信号转换为电流信号，拍频光电流信号为：

其中，I₀为光电流的平均强度，I₀＝I₁+I₂，I₁和I₂分别为参考光和信号光的光电流强度，V为拍频信号的对比度，

设τ＜＜1，忽略τ的二阶小量，记ω_b＝ατ，φ_b＝ω₀τ，拍频光电流信号写为：

I_r(τ,t)＝I₀[1+Vcos(ω_bt+φ_b)] (1.6)

同理，在频率下降的时间(T_m，2T_m)内，拍频光电流信号写为：

I_f(τ,t)＝I₀[1+Vcos(-ω_bt+φ_b)] (1.7)

光电流信号进入滑轨控制器，滑轨控制器对该信号进行处理后获得信号的频率信息，然后根据频率的大小输出控制信号，通过控制信号控制可控滑轨上第二反射镜的位置，完成光程差的自动调节与补偿。