CN104378113A - 一种用于原子干涉仪拉曼激光系统的微波频率源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于原子干涉仪拉曼激光系统的微波频率源装置，包括恒温晶振、锁相环路PLL、压控晶振、功率分配器、锁相介质振荡器、低噪声功率放大器、四倍频器、直接数字合成器DDS、低噪声功率放大器；压控晶振通过锁相环PLL锁定到超低相位噪声恒温晶振上，然后通过功率分配器分为两路；一路通过锁相介质振荡器进行频率放大，通过功率放大器进行功率放大；另外一路通过四倍频器，然后通过DDS对频率进行变频，通过功率放大器进行功率放大；本发明采用直接数字频率合成和取样锁相介质振荡器，有效降低了拉曼激光系统的相位噪声；采用超低相位噪声的晶振作为参考信号，减小了微波源的体积和功耗，提高了实用性和机动性。

Description

一种用于原子干涉仪拉曼激光系统的微波频率源装置

技术领域

本发明属于频率源技术领域，特别涉及一种用于原子干涉仪拉曼激光系统的微波频率源装置。

背景技术

随着激光操控原子技术和原子光学的逐渐成熟，原子干涉技术在原子传感领域突飞猛进，尤其是其灵敏度和精确度方面的优势，使得基于原子干涉技术的陀螺仪，加速度计，重力梯度仪等量子传感器在惯性导航，油田矿藏探测，基础科学研究等方面拥有巨大的应用潜力。在原子干涉仪中，拉曼激光系统是原子分束、偏转及合束的控制系统，由于原子与激光的相互作用，拉曼激光系统的性能会直接影响到原子干涉仪的精度和灵敏度等性能。微波频率源作为拉曼激光系统中激光移频的控制系统，其参数指标对拉曼激光系统的性能具有决定性的作用，进而影响原子干涉仪的性能，所以微波频率源的配置方案尤为重要。

拉曼激光系统输出两束具有固定频差的激光束，两束激光的频率差根据原子干涉仪中原子种类的不同而不同。为了保证拉曼激光系统的低相位噪声性能，微波源应该尽量选择相位噪声低的器件。目前通用的商业化微波信号发生器多数为宽带信号发生器，频率范围为从1kHz到十几、二十几GHz以上，这不可避免的造成其输出信号相位噪声性能不高，如果应用到拉曼激光系统中，会限制拉曼激光系统的性能。另外，拉曼激光系统只需宽带微波信号发生器输出单点频率，这大大降低了信号发生器的利用率，且信号发生器价格昂贵，体积和功耗较大，极大的降低了此方案的实用性和机动性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种高性能的，并能通过输出频率的组合对应原子跃迁频率的单点微波源装置，为拉曼激光系统提供激光移频所需要的驱动。

一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，包括恒温晶振、锁相环路、压控晶振、功率分配器、锁相介质振荡器、低噪声功率放大器、四倍频器、直接数字合成器、低噪声功率放大器；

通过锁相环将压控晶振锁定到恒温晶振上，锁定后的输出信号通过功率分配器，将信号平均分为两路，一路通过锁相介质振荡器进行频率放大，然后再通过低噪声功率放大器对信号进行功率放大之后输出，输出频率为7GHz，驱动拉曼激光系统中的电光调制器，电光调制器对激光频率进行7GHz的移频，形成激光A；

另外一路首先通过四倍频器进行四倍频，然后再通过直接数字合成器对频率进行变频，然后通过低噪声功率放大器对信号进行功率放大之后输出，输出频率为83MHz，驱动拉曼激光系统中的声光调制器，声光调制器对激光进行两次83MHz的移频，形成激光B；

激光A、激光B的频率差为6.834GHz。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用取样鉴相方案，减小了倍频过程中的相位噪声恶化，降低了7GHz输出信号的相位噪声；

(2)本发明采用目前成熟的DDS技术，其有效分辨率可达到0.023Hz，输出的83MHz信号可以精确到mHz；

(3)本发明组合出来的6.834GHz的频率可以与原子跃迁频率更加一致，且可以实现动态微调；

(4)本发明中微波源两路信号采用同一超低相位噪声参考源，这可以对消部分相位噪声，从而降低拉曼激光系统的相位噪声，提高拉曼激光系统的相干性；

(5)相比于商用信号发生器，本发明减小了微波源的体积和功耗，在提高了其利用率的同时，提高了其实用性和机动性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明取样锁相介质振荡器示意图；

其中：

1—超低相位噪声的10MHz恒温晶振   2—锁相环路PLL      3—100MHz压控晶振

4—功率分配器                    5—锁相介质振荡器   6—低噪声功率放大器

8—直接数字合成器DDS             9—低噪声功率放大器 10—取样鉴相器SPD

11—环路滤波器LF                 12—介质振荡器DRO   13—定向耦合器

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，如图1所示，包括超低相位噪声的10MHz恒温晶振1、锁相环路PLL2、100MHz压控晶振3、功率分配器4、锁相介质振荡器5、低噪声功率放大器6、四倍频器7、直接数字合成器DDS8、低噪声功率放大器9。

通过锁相环PLL2将100MHz的压控晶振3锁定到超低相位噪声的10MHz的恒温晶振1上，可以降低100Mz压控晶振3的相位噪声，提高频率稳定度。锁定后的100MHz的输出信号通过功率分配器4将100MHz的信号平均分为两路，一路通过锁相介质振荡器5进行频率放大，然后再通过低噪声功率放大器6对信号进行功率放大之后输出，另外一路首先通过四倍频器7进行四倍频，然后再通过直接数字合成器DDS8对频率进行变频，然后通过低噪声功率放大器9对信号进行功率放大之后输出。

锁相介质振荡器5的内部结构如图2所示，锁相介质振荡器5包括取样鉴相器10、环路滤波器11、介质振荡器12，经过功率分配器4之后的一路信号通过取样鉴相器10，倍频之后与通过定向耦合器13反馈的信号进行鉴相，鉴相后的信号为电压信号，通过环路滤波器11进行滤波，然后控制介质振荡器12的输出频率，介质振荡器的输出频率通过定向耦合器13分为两路，一路输出，一路作为反馈信号输入到取样鉴相器10中，通过闭环反馈，可以稳定的输出7GHz的信号。

通过功率分配器6和功率分配器9输出的信号分别驱动拉曼激光系统中的光学调制器——声光调制器和电光调制器，对两束激光进行移频。其中由低噪声功率放大器6进行放大的信号输出频率为7GHz，驱动拉曼激光系统中的电光调制器，对激光频率进行7GHz的移频；由低噪声功率放大器9进行放大的信号输出频率为83MHz，驱动拉曼激光系统中的声光调制器，对另外一束激光频率进行83MHz的移频，激光通过两次声光调制器，在对激光进行两次移频之后，移频达到166MHz。两束激光的频率差通过激光移频之后为6.834GHz。由低噪声功率放大器6和低噪声功率放大器9输出的两路信号具有共同的参考源，得到的两束信号相干性好，进而提高了拉曼激光系统输出的两束拉曼光的相干性。

100MHz的压控晶振3通过锁相环路PLL2锁定到超低相位噪声的10MHz的恒温晶振1上，应用锁相环原理进行锁定，提高了100MHz输出信号的频率稳定性，使得输出的信号在近端和远端的相位噪声都达到较低的水平。通过锁相介质振荡器对一路信号进行频率放大，放大到7GHz，通过低噪声功率放大器6之后为电光调制器提供有效驱动。锁相介质振荡器的原理是应用取样锁相环技术，有效降低了频率放大过程中的相位噪声恶化程度。通过倍频和直接数字频率合成器DDS对信号进行变频到83MHz，通过低噪声功率放大器9之后为声光调制器提供有效驱动。

本发明根据实验中采用的铷87原子，其超精细跃迁频率为6.834GHz，采用频率合成技术制作单点频率源，一方面是因为单点频率源的性能较宽带信号发生器的性能容易提高，无需外接庞大的原子钟；另一方面，应用频率合成技术构成的单点频率源的成本较低，利用率更高，体积和功耗更小。在本发明中，为了提高单点频率源的性能，采用取样锁相频率合成技术和直接数字合成(DDS)技术；为了应用于拉曼激光系统，提出一种新的微波源配置方案。

Claims (4)

1.一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，包括恒温晶振、锁相环路、压控晶振、功率分配器、锁相介质振荡器、低噪声功率放大器、四倍频器、直接数字合成器、低噪声功率放大器；

通过锁相环将压控晶振锁定到恒温晶振上，锁定后的输出信号通过功率分配器，将信号平均分为两路，一路通过锁相介质振荡器进行频率放大，然后再通过低噪声功率放大器对信号进行功率放大之后输出，输出频率为7GHz，驱动拉曼激光系统中的电光调制器，电光调制器对激光频率进行7GHz的移频，形成激光A；

另外一路首先通过四倍频器进行四倍频，然后再通过直接数字合成器对频率进行变频，然后通过低噪声功率放大器对信号进行功率放大之后输出，输出频率为83MHz，驱动拉曼激光系统中的声光调制器，声光调制器对激光进行两次83MHz的移频，形成激光B；

激光A、激光B的频率差为6.834GHz。

2.根据权利要求1所述的一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，所述的恒温晶振为10MHz。

3.根据权利要求1所述的一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，压控晶振为100MHz。

4.根据权利要求1所述的一种用于拉曼激光系统的微波频率源装置，所述的锁相介质振荡器包括取样鉴相器、环路滤波器、介质振荡器；

经过功率分配器之后的一路信号通过取样鉴相器，倍频之后与通过定向耦合器反馈的信号进行鉴相，鉴相后的信号为电压信号，通过环路滤波器进行滤波，然后控制介质振荡器的输出频率，介质振荡器的输出频率通过定向耦合器分为两路，一路输出，一路作为反馈信号输入到取样鉴相器中，通过闭环反馈，稳定输出7GHz的信号。