CN107015374B - 适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置，该装置包括稳频激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一薄膜偏振片、第二薄膜偏振片、声光调制器、第一光电二级管、第二光电二级管、第一跨导放大器、第二跨导放大器、功率稳定控制电路、电压基准源、低通滤波器、声光调制器驱动电源、第一四分之一波片、第二四分之一波片、透镜、挡光片和第一全反镜。本发明使量子精密测量装置的激光功率稳定，可有效消除温度、振动、偏振变化以及量子系统内部结构造成的激光功率的涨落。

Description

适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置

技术领域

本发明涉及量子精密测量，具体是一种适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置。

背景技术

激光技术在量子精密测量领域，如原子冷却、原子精密测量、重力场测量、验证广义相对论等研究中有着广泛的应用。量子精密测量的精密测量装置一般是通过激光束与量子系统的相互作用完成精密测量的。与量子系统相互作用的激光束(作用光)的频率与功率的稳定性对精密测量的准确性和稳定性至关重要。对激光频率的稳定方法研究很多，本领域已报道激光频率稳定性已经达到～10^-12@1s，但对激光功率的稳定性研究却停留在较为传统的方法上。传统的激光功率稳定方法是利用单次负反馈方式直接对激光器电流、温度或PZT进行反馈控制，该方法只能对激光器的出射光的光功率、频率进行稳定，对激光束从激光器出射后由于后续光路结构引入的噪声没有抑制作用。

在实际应用中，量子精密测量的精密测量装置的光路系统非常复杂，光路系统所处的外界环境如温度、振动的变化对激光器外部光路结构和光学元件特性有明显影响，从而影响精密测量装置的作用光的光功率；同时，光路系统中包含很多与偏振相关的分光元件，激光器的出射光的偏振变化使精密测量装置的作用光的激光功率随之变化。此外，精密测量装置内部一般为超高真空环境，且具有较为复杂的光路结构，精密测量装置内部的光束变换、背景气体浓度等因素也会使与量子精密测量装置(16)内部的量子系统相互作用的作用光的功率变化。因此，传统的激光功率稳定方法不能满足对作用光的激光功率稳定性要求严格的精密测量装置的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置，该装置使量子精密测量装置中与量子系统相互作用的激光功率稳定，可有效消除温度、振动、偏振变化以及精密测量装置内部结构造成的激光功率的涨落。

本发明的具体技术方案如下：

一种适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置，其特点在于该装置包括稳频激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一薄膜偏振片、第二薄膜偏振片、声光调制器、第一光电二级管、第二光电二级管、第一跨导放大器、第二跨导放大器、功率稳定控制电路、电压基准源、低通滤波器、声光调制器驱动电源、第一四分之一波片、第二四分之一波片、透镜、挡光片和第一全反镜，上述元部件的位置连接关系如下：

沿所述的稳频激光器的出射光方向依次为第一二分之一波片、第一偏振分束器、声光调制器发生声光衍射。0级衍射光经透镜后被挡光片遮挡后停止传输；1级衍射光经第一四分之一波片、透镜、全反镜返回声光调制器进行第二次声光衍射。所述激光束两次通过声光调制器，第二次衍射的1级衍射光经第一偏振分束器反射通过第二二分之一波片进入第二偏振分束器，该第二偏振分束器将入射光分为反射光和透射光；

经第二偏振分束器的反射光经第一薄膜偏振片被第一光电管接收后再经跨导放大器作为第一负反馈信号进入所述的功率稳定控制电路；

在第二偏振分束器的透射光方向依次是第二四分之一波片和量子精密测量装置的入射光位置，该入射光称为作用光，所述的量子精密测量装置具有使部分作用光返回的光路结构，在所述的量子精密测量装置的入射位置返回的作用光经第二四分之一波片、第二偏振分束器反射后，通过第二薄膜偏振片被第二光电管接收，再经第二跨导放大器作为第二负反馈信号输入所述的功率稳定控制电路；

所述的电压基准源的输出端与所述的功率稳定控制电路第3输入端相连，所述的功率稳定控制电路的输出端经所述的低通滤波器与所述的声光调制器驱动电源控制端相连，该声光调制器驱动电源的电压输出端与所述的声光调制器的驱动端相连。

所述的第一薄膜偏振片和第二薄膜偏振片为仅允许s光透过的偏振片。

所述的双反馈激光功率稳定装置，所述的功率稳定控制电路使用加法电路得到误差电压，误差电压等于电压基准源的输出电压减去第一跨导放大器和第二跨导放大器的输出电压和。

所述的精密测量装置为被测系统，所述的精密测量装置内部包含可以使作用光部分返回至入射位置的光路结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

基于声光调制器的Double pass移频结构，采用双反馈方式对声光调制器驱动电源进行控制，实现进入量子系统内部的激光束(作用光)的激光功率的双反馈控制，获得稳定的量子系统作用光的激光功率。本发明可有效消除了温度、振动、偏振变化以及量子系统内部结构造成的激光功率的涨落。

附图说明

图1是本发明适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置的示意图

图中：1是稳频激光器，2是二分之一波片，2’是二分之一波片，3是偏振分束器3’是偏振分束器，4是薄膜偏振片，4’是薄膜偏振片，5是声光调制器，6是光电二级管,6’是光电二级管，7是跨导放大器，7’是跨导放大器，8是功率稳定控制电路，9是电压基准源，10是低通滤波器，11是声光调制器驱动电源，12是四分之一波片，12’是四分之一波片，13是透镜，14是挡光片，15是全反镜，16是精密测量装置。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，由图可见，本发明适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置，包括稳频激光器1、第一二分之一波片2、第二二分之一波片2’、第一偏振分束器3、第二偏振分束器3’、第一薄膜偏振片4、第二薄膜偏振片4’、声光调制器5、第一光电二级管6、第二光电二级管6’、第一跨导放大器7、第二跨导放大器7’、功率稳定控制电路8、电压基准源9、低通滤波器10、声光调制器驱动电源11、第一四分之一波片12、第二四分之一波片12’、透镜13、挡光片14，第一全反镜15和精密测量装置16，上述元部件的位置连接关系如下：

沿所述的稳频激光器1的出射光方向依次的第一二分之一波片2、第一偏振分束器3、声光调制器5，第一偏振分束器3的透射光经声光调制器5第一次衍射后形成1级衍射光和0级衍射光。0级衍射光经第一四分之一波片12和透镜13后被后方的挡光片14遮挡；1级衍射光镜经第一四分之一波片12和透镜13后被后方的全反镜15反射沿原路返回在声光调制器5处发生第二次衍射。该结构中激光束两次通过声光调制器5发生两次声光衍射移频，称为Double Pass结构；通过该双通结构产生的1级衍射光返回所述的第一偏振分束器3，经第一偏振分束器3反射通过第二二分之一波片2’进入第二偏振分束器3’，该第二偏振分束器3’将入射光分为反射光和透射光：

经第二偏振分束器3’的反射光经第一薄膜偏振片4被第一光电管6接收后再经跨导放大器7作为第一负反馈信号进入所述的功率稳定控制电路8；

在第二偏振分束器3’的透射光方向依次是第二四分之一波片12’和量子精密测量装置16的入射光位置，该入射光称为作用光，所述的量子精密测量装置16具有使部分作用光返回的光路结构(如图中的第二全反镜15’)，在所述的量子精密测量装置16的入射位置返回的作用光经第二四分之一波片12’、第二偏振分束器3’反射后，通过第二薄膜偏振片4’被第二光电管6’接收，再经第二跨导放大器7’作为第二负反馈信号输入所述的功率稳定控制电路8；

所述的电压基准源9的输出端与所述的功率稳定控制电路8第3输入端相连，所述的功率稳定控制电路8的输出端经所述的低通滤波器10与所述的声光调制器驱动电源11控制端相连，该声光调制器驱动电源11的电压输出端与所述的声光调制器5的驱动端相连。

本发明的工作情况如下：

所述的稳频激光器1的出射光依次通过第一二分之一波片2和第一偏振分束器3，通过调节第一二分之一波片2，使激光器的出射光全部透过第一偏振分束器3。透射光经声光调制器5、四分之一波片12、透镜13、挡光片14和全反镜15组成的激光束两次通过声光调制器5的结构(Double Pass结构)进行声光衍射移频。Double Pass后的1级衍射光返回第一偏振分束器3经反射通过第二二分之一波片2’和第二偏振分束器3’，该第二偏振分束器3’将入射光分为反射光和透射光，所述的反射光经经第一薄膜偏振片4被第一光电管6接收后再经第一跨导放大器7作为第一负反馈信号；所述的透射光作为作用光经第二四分之一波片12’进入量子精密测量装置16，该作用光与量子精密测量装置16相互作用，同时，部分作用光在量子精密测量装置16内部经过反射、散射等方式后返回至透射光的入射位置，经第二四分之一波片12’后返回至第二偏振分束器3’反射输出，出射光经第二薄膜偏振片4’被第二光电管6’接收后再经第二跨导放大器7’作为第二负反馈信号。所述的第一负反馈信号、第二负反馈信号和所述的电压基准源9输出的基准电压经所述的功率稳定控制电路8、所述的低通滤波器10输入所述的声光调制器驱动电源11，对所述的声光调制器驱动电源11的输出电压进行反馈控制。

所述的声光调制器5、第一四分之一波片12、透镜13、挡光片14和全反镜15组成两次通过声光调制器的结构，所述的声光调制器5产生的1级衍射光的频率和功率通过电压控制声光调制器驱动11来调节。该结构使得两次衍射后的一级衍射光斑位置不会因为声光调制器5调频电压的改变而变化，从而对后面光束走向无影响，后级光学元件无需因声光调制器5调频电压的改变而多次调节。

实施例1

所述的稳频激光器1采用Toptica DLpro半导体激光器作为光源。

所述的第一光电二级管6、第二光电二级管6’采用PIN硅管(S2386-44K，Hamamatsu)，光电转换效率为0.5A/W。

所述的跨导放大器7的电流/电压转换系数为10⁶，同时跨导放大器对噪声有一定的滤波作用，防止信号振荡，带宽100kHz。跨导放大器采用精密运算放大器(OP27)和低温漂电阻(100kΩ)，光电流信号转换为电压信号，转换为电压后放大10倍。

所述的电压基准源9采用深埋层齐纳二极管电压基准源(LM399)，温度系数为0.3ppm/℃。

所述的低通滤波器10采用一阶有源滤波器，环路增益的选择需要使得环路达到足够的带宽，从而使带内噪声得到最大的抑制，同时不能增加产生带外噪声的影响，带宽选择大约15.9kHz。

所述的声光调制器5采用两次经过同一声光调制器5进行衍射的双通结构(DoublePass),这样的结构使得衍射后的光斑位置不会因为AOM调频电压的改变而改变,有利于保证光路的稳定性。

所述的第一薄膜偏振片4、第二采薄膜偏振片4’采用消光比大于2万的纳米颗粒线性薄膜偏振片(LPVIS050,Thorlabs)，将激光偏振面的旋转转化为功率的起伏，从而通过后面的功率稳定环路将这种起伏加以修正。

所述的量子精密测量装置16为积分球冷原子钟，其内部具有可以使部分作用光返回的光路结构。稳定后的激光应用于积分球冷原子钟的钟跃迁探测，环路内噪声抑制大约为-20dB/Dec，其对原子钟稳定度的影响小于1×10^-13τ-1/2，积分球原子钟的的频率稳定度优于5×10^-13τ-1/2。

实验表明，本发明使量子精密测量装置的激光功率稳定，可有效消除温度、振动、偏振变化以及量子系统内部结构造成的激光功率的涨落。

Claims (4)

1.一种适用于量子系统的双反馈激光功率稳定装置，其特征在于该装置包括稳频激光器(1)、第一二分之一波片(2)、第二二分之一波片(2’)、第一偏振分束器(3)、第二偏振分束器(3’)、第一薄膜偏振片(4)、第二薄膜偏振片(4’)、声光调制器(5)、第一光电二级管(6)、第二光电二级管(6’)、第一跨导放大器(7)、第二跨导放大器(7’)、功率稳定控制电路(8)、电压基准源(9)、低通滤波器(10)、声光调制器驱动电源(11)、第一四分之一波片(12)、第二四分之一波片(12’)、透镜(13)、挡光片(14)、第一全反镜(15)和精密测量装置(16)；元部件的位置连接关系如下：

所述稳频激光器(1)的出射光依次通过第一二分之一波片(2)和第一偏振分束器(3)，通过调节第一二分之一波片(2)，使激光器的出射光全部经第一偏振分束器(3)透射后射入声光调制器(5)，经声光调制器(5)第一次衍射后形成1级衍射光和0级衍射光；所述的0级衍射光依次经第一四分之一波片(12)和透镜(13)后被后方的挡光片(14)遮挡，所述的1级衍射光依次经第一四分之一波片(12)和透镜(13)后被后方的全反镜(15)反射沿原路返回在声光调制器(5)处发生第二次衍射；

所述的第二次衍射的1级衍射光返回第一偏振分束器(3)，经该第一偏振分束器(3)反射后通过第二二分之一波片(2’)射入第二偏振分束器(3’)，经该第二偏振分束器(3’)分为两束，即反射光束和透射光束，所述的反射光束通过第一薄膜偏振片(4)被第一光电二级管(6)接收并转为电信号，经第一跨导放大器(7)作为第一负反馈信号输出，被功率稳定控制电路(8)接收；

所述的透射光束作为作用光经第二四分之一波片(12’)进入精密测量装置(16)后，部分作用光原路返回经第二四分之一波片(12’)至第二偏振分束器(3’),经该第二偏振分束器(3’)反射后，通过第二薄膜偏振片(4’)被第二光电二级管(6’)接收,由光信号转化为电信号后经第二跨导放大器(7’)作为第二负反馈信号输出被功率稳定控制电路(8)接收；

所述的电压基准源(9)的输出端与所述的功率稳定控制电路(8)的第三输入端相连，所述的功率稳定控制电路(8)的输出端经所述的低通滤波器(10)与所述的声光调制器驱动电源(11)控制端相连，该声光调制器驱动电源(11)的电压输出端与所述的声光调制器(5)的驱动端相连。

2.根据权利要求1所述的双反馈激光功率稳定装置，其特征在于所述的第一薄膜偏振片(4)和第二薄膜偏振片(4’)为仅允许s光透过的偏振片。

3.根据权利要求1所述的双反馈激光功率稳定装置，其特征在于，所述的功率稳定控制电路(8)使用加法电路得到误差电压，误差电压等于电压基准源(9)的输出电压减去第一跨导放大器(7)和第二跨导放大器(7’)的输出电压之和。

4.根据权利要求1所述的双反馈激光功率稳定装置，其特征在于，所述的精密测量装置(16)为被测系统，该精密测量装置(16)内部包含可以使部分作用光返回至入射位置的光路结构。