CN107389208A - 一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法，将飞秒光梳与待测激光从空间上分离，在冷原子干涉重力仪移动时，亦可以方便地测量系统激光的频率，具有测量简单、移动性好等优点；同时本发明采用基频激光和倍频激光，建立了利用飞秒光梳测量待测激光频率的链路，可以实现冷原子干涉重力仪系统激光频率的精确测量。
Description
所属技术领域
本发明涉及精密重力测量领域，特别涉及一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法。
背景技术
重力仪是一种对地球重力加速度进行高精度测量的装置，在国防军事、地质资源勘探等领域中有重要作用。绝对重力仪可以测量地球重力加速的绝对值，按照工作原理的不同，可以分为角锥落体重力仪和原子重力仪。冷原子干涉重力仪是一种基于冷原子物质波干涉原理实现重力加速度绝对测量的装置，相比角锥落体重力仪，具有更高的测量灵敏度和长期稳定性，是精密重力测量领域重点发展方向。
冷原子干涉重力仪系统中的激光，可以实现原子的冷却、探测和物质波干涉等作用，其频率值的准确性直接决定了重力加速度测量的精度。理论计算表明，如果激光的频率变化0.4MHz，则重力加速度的测量值变化10-8m/s2。因此，为了保证冷原子干涉重力仪的测量精度小于10-8m/s2，首先要保证重力仪系统中激光频率的测量精度小于0.4MHz。
目前国内外激光频率测量的技术主要有以下几种方法。
第一种，基于激光干涉原理的测量频率的方法。典型的商品化频率(或波长)测量仪器有迈克尔逊干涉型波长计、斐索干涉型波长计和法珀干涉型波长计等几种类型。以德国HighFinesse公司的斐索干涉型波长计为例，其内部光路结构简单，易于搬运，性能稳定，频率测量精度最高达到2MHz。这种频率测量方法适合于对测量精度要求不高的应用领域，而对于冷原子干涉重力仪，这种测量方法的精度无法满足要求。
第二种，基于谐波光频链的测量激光频率的方法。这种方法通过一系列相位锁定环路和中介激光，将被测光学频率与铯原子微波频率标准连接起来，从而可以实现激光频率的精确测量。该方法频率测量的精度可以达到kHz量级，但系统过于复杂，且只能测量特定波长的激光频率，不适用于冷原子干涉重力仪系统的激光频率测量。
第三种，基于飞秒光梳的直接测量激光频率的方法。2000年前后，一种基于飞秒激光的频率梳的方法，可以取代复杂的谐波光频链，将被测光学频率与微波频率标准连接起来，获得了迅速地推广和应用。这种方法的测量精度受限于微波频率标准的准确度，最高可以达到小于1Hz水平，可以满足冷原子干涉重力仪系统的要求。存在的问题是目前的飞秒光梳系统与波长计相比，系统体积较大，不方便移动，在冷原子干涉重力仪进行移动测量的应用场景中无法满足需要。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法，克服了现有的激光频率测量在精度和可移动性上存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，包括：
基频激光与飞秒光梳频率锁定模块，用以将基频激光功率分配为两路，并将一路基频激光的频率锁定在飞秒激光的频率梳齿上，另一路基频激光进行功率放大；
远程传递模块，用以将功率放大的基频激光传递至倍频激光与待测激光频率差拍模块；
倍频激光与待测激光频率差拍模块，用以使功率放大的基频激光产生倍频激光，并获得倍频激光与来自冷原子干涉重力仪的待测激光拍频产生的频率差拍信号；
频率测量模块，用以根据频率差拍信号计算出待测激光的频率。
进一步地，所述的基频激光与飞秒光梳频率锁定模块，包括基频激光功率分配子模块，基频激光与飞秒激光频率拍频子模块，锁定电路子模块和基频激光功率放大子模块，其中：
基频激光功率分配子模块，用以将基频激光进行功率分配，一路基频激光用以与飞秒激光拍频，一路基频激光用以进行功率放大；
基频激光与飞秒激光频率拍频子模块，用以获得基频激光与飞秒激光的合束光；
锁定电路子模块，用以探测合束光中基频激光与飞秒激光的频率差拍信号，将基频激光的频率锁定在飞秒激光的频率梳齿上；
基频激光功率放大子模块，用以将基频激光进行功率放大。
进一步地，所述的远程传递模块通过光纤进行远程传递。
进一步地，所述的倍频激光与待测激光频率差拍模块，包括倍频子模块、倍频激光与待测激光拍频子模块和光电探测器，其中：
倍频子模块，用以使功率放大的基频激光产生倍频激光；
倍频激光与待测激光拍频子模块，用以获得倍频激光与待测激光的合束光；
光电探测器，用以探测合束光中倍频激光与待测激光的频率差拍信号。
进一步地，所述的频率测量模块，包括频率计数器和数据处理软件，其中：
频率计数器用以根据倍频激光与待测激光的频率差拍信号测量差频值，并进行连续测量和数据记录；
数据处理软件，用以采集频率计器记录的数据，得到拍频频率，并根据飞秒光梳的初始频率和重复频率，最终计算得到待测激光的频率值。
一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，包括：
1)将基频激光功率分配为两路，并将一路基频激光的频率锁定在飞秒光梳的频率梳齿上；
2)将步骤1)分配出的另一路基频激光进行功率放大并传递至远端；
3)使功率放大的基频激光产生倍频激光，并获得倍频激光与待测激光产生的频率差拍信号；
4)根据步骤3)获得的频率差拍信号计算得到待测激光的频率。
进一步地，步骤1)中，先将一路基频激光与飞秒激光合束，获得合束光中基频激光与飞秒激光的频率差拍信号，然后将基频激光的频率锁定在飞秒光梳的频率梳齿上。
进一步地，步骤2)中，通过光纤进行传递。
进一步地，步骤3)中，通过倍频晶体使功率放大的基频激光产生倍频激光。
进一步地，步骤4)中，根据步骤3)获得的频率差拍信号测量得到差频值及拍频频率，并根据飞秒光梳的初始频率和重复频率，计算得到待测激光的频率值。
与现有技术方案相比，本发明的优点是：
1.本发明的测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法，将飞秒光梳与待测激光从空间上分离，冷原子干涉重力仪在移动时，可以方便地测量系统激光的频率，具有测量简单、移动性好等优点。
2.本发明的测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置和方法，采用基频激光和倍频激光，建立了利用飞秒光梳测量待测激光频率的链路，可以实现冷原子干涉重力仪系统激光频率的精确测量。
附图说明
图1是本发明的测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置图，其中：
1-飞秒激光器，2-飞秒激光输出光纤，3-飞秒激光光纤耦合输出，4-衍射光栅，5-第一全反射镜，6-第一半波片，7-第一非偏振分光元件，8-第二半波片，9-第二全反射镜，10-偏振分光元件，11-第三半波片，12-放大器光纤耦合输入，13-第四半波片，14-第三全反射镜，15-声光调制器，16-基频光光纤耦合输出，17-基频激光器，18-光功率放大器，19-光纤连接器，20-伺服控制电路模块，21-第一光电探测器，22-第一透镜，23-长距离光纤，24-放大器光纤耦合输出，25-第五半波片，26-第四全反射镜，27-第二透镜，28-倍频晶体，29-第三透镜，30-滤光片，31-第五全反射镜，32-第六全反射镜，33-第六半波片，34-第二非偏振分光元件，35-第七半波片，36-待测激光光纤耦合输出，37-第四透镜，38-第二光电探测器，39-待测激光输出光纤，40-待测激光器，41-频率计数器。
图2是本发明产生的基频激光器与飞秒激光器频率锁定后的结果图。
图3是本发明所产生的倍频激光与冷原子干涉重力仪的待测激光拍频的结果图。
具体实施方式
结合附图,下面对本发明进一步说明。
本发明提供的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，包括：
基频激光与飞秒光梳频率锁定模块，又包括：
基频激光与飞秒激光频率差拍子模块，即飞秒激光器1、飞秒激光输出光纤2、飞秒激光光纤耦合输出3、衍射光栅4、第一全反射镜5、第一半波片6、第一非偏振分光元件7、第二半波片8、第二全反射镜9和第一透镜22；
锁定电路子模块，即伺服控制电路模块20、第一光电探测器21；
基频激光功率分配子模块，即偏振分光元件10、第三半波片11、第四半波片13、第三全反射镜14、声光调制器15、基频光光纤耦合输出16和基频激光器17；
基频光功率放大子模块，即放大器光纤耦合输入12和光功率放大器18；
基频光远程传递子模块，即光纤连接器19、长距离光纤23和放大器光纤耦合输出24。
倍频激光与待测激光频率差拍模块，又包括：
倍频子模块，即第五半波片25、第四全反射镜26、第二透镜27、倍频晶体28、第三透镜29和滤光片30；
倍频激光与待测激光拍频子模块，即第五全反射镜31、第六全反射镜32、第六半波片33、第二非偏振分光元件34、第七半波片35、待测激光光纤耦合输出36、第四透镜37、待测激光输出光纤39和待测激光器40。
频率测量模块，即第二光电探测器38和频率计数器41等。
本发明测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，主要包括以下几个部分：
首先，将基频激光器17的频率锁定在飞秒激光器1的频率梳齿上，其中：
基频激光器17发射出基频激光，通过基频光光纤耦合输出16可以耦合输出空间的基频激光，再通过声光调制器15产生基频激光频率偏移，再经过第三反射镜14调整激光方向，经过第四半波片13产生激光相移，经过偏振分光元件10可以将激光分成两个偏振方向以进行功率分配。其中一路激光经过第二全反射镜9调整激光方向，经过第二半波片8产生激光相移，经过第一非偏振分光元件7可以与飞秒激光合束。
飞秒激光器1产生飞秒激光，通过飞秒激光输出光纤2和飞秒激光光纤耦合输出3变成空间光，经过第一半波片6产生相移，也进入第一非偏振分光元件7，从而实现与基频激光的合束，合束后的两束激光通过衍射光栅4得到合束光的一级衍射光，经过第一全反射镜5，和第一透镜22聚焦后，进入第一光电探测器21，得到基频激光与飞秒光梳的某个梳齿频率的差频电信号。将此差频电信号通过伺服控制电路模块20得到伺服反馈信号，反馈到基频激光器17的控制器和声光调制器15的控制器上，从而可以将基频激光器17的频率锁定在飞秒激光1的频率梳齿上。
其次，将锁定后的基频激光功率放大并利用光纤进行远程传递，其中：
偏振分光元件10分配的另一路激光，经过第三半波片11产生相移，通过放大器光纤耦合输入12耦合进入光功率放大器18，实现功率放大。功率放大后的激光再通过光纤连接器19和长距离光纤23，可以传递至远端的放大器光纤耦合输出24，完成远程传递过程。
最后，将接收到的基频激光通过倍频晶体产生倍频激光，并与待测激光拍频，其中：
远端的放大器光纤耦合输出24接收并输出的基频激光，通过第五半波片25产生相移，经过第四全反射镜26调整激光方向，经过第二透镜27可以将激光聚焦耦合进入倍频晶体28以产生倍频激光。产生的倍频激光通过第三透镜29可以准直激光，再通过滤光片30过滤掉基频激光。倍频激光通过第五全反射镜31和第六全反射镜32调整激光方向，经过第六半波片33产生相移，通过第二非偏振分光元件34可以与待测激光合束。
冷原子干涉重力仪的待测激光器40产生待测激光，通过待测激光输出光纤39和待测激光光纤耦合输出36变成空间光，经过第七半波片35产生相移，通过第二非偏振分光元件34的反射实现与倍频激光的合束。
合束光通过第四透镜37聚焦，入射至第二光电探测器38产生拍频电信号。利用频率计数器41和公知的数据处理软件(如EXCEL，Origin)，可以得到待测激光的频率。
图2为使用频率计数器记录的基频激光器与飞秒激光器频率锁定后的拍频结果图。基频激光器为波长为1560nm的光纤激光器，输出功率40mW。频率计数器的分辨率为1mHz，单点记录时间为1秒。图中记录700秒的拍频结果，中心频率为40MHz，频率波动的标准差为0.3mHz。此结果表明基频激光器相对飞秒激光器的频率差远小于1mHz，利用基频激光器所产生的倍频激光来测量待测激光频率，测量的准确度与飞秒光梳直接测量的准确度一样，完全可以满足重力仪系统中激光频率的测量精度要求。
图3为使用频率计数器41记录的倍频激光与待测激光拍频的结果图。倍频激光的波长为780nm，功率为10mW。频率计数器41的分辨率为1mHz，单点记录时间为1秒。图3中记录700秒的拍频结果。中心频率30.05MHz，频率波动在700秒时间内为15kHz，由待测激光的频率不稳定所引起。
根据图2和图3的测量结果，标记图2所测量的中心频率信号为fb1，图3所测量的中心频率信号为fb2，再根据已知的飞秒激光器的参数，即初始频率f0，重复频率fr和频率倍数N，利用公知公式f＝N×fr+f0+fb1+fb2，即可以得到冷原子干涉重力仪待测激光的频率值f。
Claims (10)
1.一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，包括：
基频激光与飞秒光梳频率锁定模块，用以将基频激光功率分配为两路，并将一路基频激光的频率锁定在飞秒激光的频率梳齿上，另一路基频激光进行功率放大；
远程传递模块，用以将功率放大的基频激光传递至倍频激光与待测激光频率差拍模块；
倍频激光与待测激光频率差拍模块，用以使功率放大的基频激光产生倍频激光，并获得倍频激光与来自冷原子干涉重力仪的待测激光拍频产生的频率差拍信号；
频率测量模块，用以根据频率差拍信号计算出待测激光的频率。
2.如权利要求1所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，其特征在于，所述的基频激光与飞秒光梳频率锁定模块，包括基频激光功率分配子模块，基频激光与飞秒激光频率拍频子模块，锁定电路子模块和基频激光功率放大子模块，其中：
基频激光功率分配子模块，用以将基频激光进行功率分配，一路基频激光用以与飞秒激光拍频，一路基频激光用以进行功率放大；
基频激光与飞秒激光频率拍频子模块，用以获得基频激光与飞秒激光的合束光；
锁定电路子模块，用以探测合束光中基频激光与飞秒激光的频率差拍信号，将基频激光的频率锁定在飞秒激光的频率梳齿上；
基频激光功率放大子模块，用以将基频激光进行功率放大。
3.如权利要求1所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，其特征在于，所述的远程传递模块通过光纤进行远程传递。
4.如权利要求1所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，其特征在于，所述的倍频激光与待测激光频率差拍模块，包括倍频子模块、倍频激光与待测激光拍频子模块和光电探测器，其中：
倍频子模块，用以使功率放大的基频激光产生倍频激光；
倍频激光与待测激光拍频子模块，用以获得倍频激光与待测激光的合束光；
光电探测器，用以探测合束光中倍频激光与待测激光的频率差拍信号。
5.如权利要求1所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的装置，其特征在于，所述的频率测量模块，包括频率计数器和数据处理软件，其中：
频率计数器用以根据倍频激光与待测激光的频率差拍信号测量差频值，并进行连续测量和数据记录；
数据处理软件，用以采集频率计器记录的数据，得到拍频频率，并根据飞秒光梳的初始频率和重复频率，最终计算得到待测激光的频率值。
6.一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，包括：
1)将基频激光功率分配为两路，并将一路基频激光的频率锁定在飞秒光梳的频率梳齿上；
2)将步骤1)分配出的另一路基频激光进行功率放大并传递至远端；
3)使功率放大的基频激光产生倍频激光，并获得倍频激光与待测激光产生的频率差拍信号；
4)根据步骤3)获得的频率差拍信号计算得到待测激光的频率。
7.如权利要求6所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，其特征在于，步骤1)中，先将一路基频激光与飞秒激光合束，获得合束光中基频激光与飞秒激光的频率差拍信号，然后将基频激光的频率锁定在飞秒光梳的频率梳齿上。
8.如权利要求6所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，其特征在于，步骤2)中，通过光纤进行传递。
9.如权利要求6所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，其特征在于，步骤3)中，通过倍频晶体使功率放大的基频激光产生倍频激光。
10.如权利要求6所述的一种测量冷原子干涉重力仪激光频率的方法，其特征在于，步骤4)中，根据步骤3)获得的频率差拍信号测量得到差频值及拍频频率，并根据飞秒光梳的初始频率和重复频率，计算得到待测激光的频率值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |