CN107976816B - 相干双色光源生成系统 - Google Patents

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Abstract

一种相干双色光源生成系统，包括第一激光器、第一分光装置、电光调制器、介质振荡器、第二激光器、相位反馈装置。所述第一激光器用于发出第一激光。所述第一分光装置用于将所述第一激光分为第一路第一激光和第二路第一激光。所述第一路第一激光入射于所述电光调制器。所述电光调制器对所述第一路第一激光进行调制并输出调制后的第一路第一激光。所述介质振荡器与所述电光调制器连接，并向所述电光调制器输入调制微波信号从而对所述第一路第一激光进行调制。所述调制后的第一路第一激光入射于所述第二激光器从发出第二激光。所述相位反馈装置产生纠偏信号用以调节所述第二激光。

Description

相干双色光源生成系统
技术领域
本发明涉及精密仪器技术领域，尤其涉及一种相干双色光源生成系统。
背景技术
量子计算、原子频标、原子干涉仪等量子系统的研制对科学技术的发展以及工业生产的促进有着重要的作用。以相干布局囚禁以及电磁感应透明等技术手段为基础的上述量子系统中，需要制备具有频率差为原子基态超精细能级之间的频率差的相干双色光源。双色光源的相位稳定性影响着对量子系统中原子的操纵，所以制备大频差、稳定的相干双色光源有着重要的意义。
传统技术中，产生频率差为两个原子基态超精细能级之间的频差的相干光源的方法有很多种。一种是利用光锁相环(Optical phase locking loop，OPLL)，将一个自由运转的窄线宽激光器与频率稳定的激光器拍频后与参考信号源混频，所得的中频信号作为误差信号通过反馈环路控制自由运转的激光器，从而达到两个激光器的相对相位稳定。然而，上述此方法要求反馈环路的带宽比较宽。另外一种方法直接对激光本身进行调节，通过声光调制(AOM)、电光调制或者通过直接调制垂直腔面发生激光器(vertical-cavity surface-emitting laser，VCSEL)的电流进行调节。这几种调节方式有各自的优缺点，声光调制器(AOM)方式中，因为相干光的频差比较大，需要光路多次通过才能满足所需频差的要求，其效率比较低。由于声光调制器(AOM)衍射分离角与驱动的微波频率有关，当对相干光的频差，即调节双光子失谐量时，通过声光调制器(AOM)产生的激光边带的出射角度发生变化，使得光路也发生改变。利用调节VCSEL电流的方案中，在产生所需要边带的同时，也会产生其他的边带，并且载波和边带光路重合，无法调节边带和载波的光强以及偏振等性质，另外调制产生的边带功率比较低。类似的，利用电光调制器(Electro-optic modulator，EOM)产生相对应频差的光，也有着边带和载波不可分离，不利于偏振和功率的调节，产生不需要的其他边带的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种边带和载波可分离，有利于偏振和功率的调节，不产生不需要的其他边带的相干双色光源生成系统。
一种相干双色光源生成系统，包括：
第一激光器，用于发出第一激光；
第一分光装置，用于将所述第一激光分为第一路第一激光和第二路第一激光；
电光调制器，所述第一路第一激光入射于所述电光调制器，所述电光调制器对所述第一路第一激光进行调制并输出调制后的第一路第一激光；
介质器，与所述电光调制器连接，并向所述电光调制器输入调制微波信号从而对所述第一路第一激光进行调制；
第二激光器，所述调制后的第一路第一激光入射于所述第二激光器用于发出第二激光；
相位反馈装置，与所述介质振荡器连接，所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述相位反馈装置从而产生纠偏信号，所述纠偏信号输入所述介质振荡器中以对所述介质振荡器进行调节。
在一个实施例中，所述相位反馈装置包括：
光电探测器，所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述光电探测器，从而产生拍频信号；
鉴相器，与所述光电探测器连接，所述拍频信号输入所述鉴相器中并与参考微波信号混频从而得到所述纠偏信号；
微波参考源，与所述鉴相器连接，用于向所述鉴相器输入所述参考微波信号；
比例积分微分器，分别与所述鉴相器和所述介质振荡器连接，所述鉴相器将所述纠偏信号输入所述比例积分微分器并通过所述比例积分微分器来调节所述介质振荡器。
在一个实施例中，所述相位反馈装置还包括：
放大器，分别与所述光电探测器和所述鉴相器连接，用于将所述拍频信号放大后输入所述鉴相器。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括：
第二分光装置，用于将所述第二路第一激光分为两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二激光合束。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括：
第三分光装置，用于将所述调制后的第一路第一激光反射进入所述第二激光器中，并透射所述第二激光器的发出的第二激光；
第一反射装置，用于反射透射所述第三分光装置后的所述第二激光；
第四分光装置，用于将通过所述第一反射装置反射的所述第二激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二路第一激光合束。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括：
第一半波片，用于透射所述第二路第一激光；
第二反光装置，用于反射透射所述第一半波片的所述第二路第一激光；
第五分光装置，用于将经过所述第二反光装置反射的所述第二路第一激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二激光合束；
第六分光装置，用于将所述第二激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二路第一激光合束。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括光隔离器，所述调制后的第一路第一激光进入所述光隔离器后入射于所述第二激光器，所述第二激光器发出的所述第二激光入射于所述光隔离器后输出。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括：
第三反光装置，用于反射所述调制后的第一路第一激光；
第二半波片，所述调制后的第一路第一激光透射所述半波片后进入所述光隔离器；
第三半波片，设置于所述光隔离器与所述第二激光器之间的光路。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括稳频装置，与所述第一激光器连接，用于稳定所述第一激光器发出的激光。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统还包括：
第七分光装置，用于将所述第一激光分成两束，一束进入所述第一分光装置，另一束进入所述稳频装置；
第四反光装置，用于反射所述经过第七分光装置分束的另一束第一激光进入所述稳频装置。
本申请提供的相干双色光源生成系统，通过所述相位反馈装置与所述介质振荡器连接。所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述相位反馈装置从而产生纠偏信号。所述纠偏信号输入所述介质振荡器中以对所述介质振荡器进行调节。此方法的优点在于，可以输出具有高功率的边带频率的激光，载波和不需要的边带的功率被抑制，减少了对原子产生的光频移的影响。且光路与主激光器激光空间分离，能单独地对其偏振和功率进行调节。
附图说明
图1为本发明一个实施例的相干双色光源生成系统的结构框图；
图2为本发明一个实施例的相干双色光源生成系统的结构框图；
图3为本发明一个实施例的相干双色光源生成系统与传统相干双色光源生成系统的拍频信号比较图。
主要元件符号说明
相干双色光源生成系统 100
第一激光发生器 110
第二激光发生器 120
电光调制器 130
介质振荡器 140
第一反光装置 12
第二反光装置 14
第三反光装置 16
第四反光装置 18
第一分光装置 21
第二分光装置 22
第三分光装置 23
第四分光装置 24
第五分光装置 25
第六分光装置 26
第七分光装置 27
第一半波片 32
第二半波片 34
第三半波片 36
第四半波片 38
光电隔离器 150
第二磁屏蔽装置 152
相位反馈装置 160
光电探测器 162
比例积分微分器 163
鉴相器 164
微波参考源 165
稳频装置 170
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，本发明实施例提供一种相干双色光源生成系统100，用于生成相干双色光。所述相干双色光源生成系统100包括第一激光器110、第一分光装置21、电光调制器130、介质振荡器140以及相位反馈装置160。
所述第一激光器110用于发出第一激光。所述第一激光为所述相关双色光中的一个。所述第一分光装置21用于将所述第一激光分为第一路第一激光和第二路第一激光。所述电光调制器130用于调制所述第一激光。所述第一路第一激光入射于所述电光调制器130。所述电光调制器130对所述第一路第一激光进行调制并输出调制后的第一路第一激光。所述介质振荡器140与所述电光调制器130连接，可以向所述电光调制器130输入调制微波信号。所述调制微波信号在所述光电调制器130中对所述第一路第一激光进行调制。所述调制后的第一路第一激光入射于所述第二激光器120中。所述第二激光器120中产生需要频率的激光，并抑制不需要频率的激光，从而发出第二激光。所述相位反馈装置160与所述介质振荡器140连接。所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述相位反馈装置160。所述相位反馈装置160可以产生纠偏信号。所述纠偏信号输入所述介质振荡器140中，以对所述介质振荡器140进行调节，从而可以调节所述第二激光的相位。
本发明提供的所述相干双色光源生成系统100，所述第一激光和所述第二激光分别为相关双色光源中的两个光源。所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述相位反馈装置160，通过所述相位反馈装置160可以产生纠偏信号。所述纠偏信号输入所述介质振荡器140中，可以对所述介质振荡器140进行调节，从而可以调节所述第二激光的相位。通过上述方式，稳定了相干双色光源的相对频率，从而可以大大减小相干光的相位噪声。可以输出具有高功率的所需边带频率的激光，载波和不需要的边带的功率被抑制，减少了对原子产生的光频移的影响。且光路与主激光器激光空间分离，能单独地对其偏振和功率进行调节。
所述反馈装置160包括光电探测器162、鉴相器164、微波参考源165、以及比例积分微分器163。所述光电探测器162能够将光信号转化为电信号。所述光电探测器162可以探测所述第二激光与所述第二路第一激光。所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述光电探测器162，从而产生拍频电信号。所述鉴相器164与所述光电探测器162连接。所述光电探测器162将所述拍频电信号输入所述鉴相器164中并与参考微波信号混频从而得到所述纠偏信号。所述微波参考源165与所述鉴相器164连接，用于向所述鉴相器164输入所述参考微波信号。所述比例积分微分器163分别与所述鉴相器164和所述介质振荡器140连接。所述鉴相器164将所述纠偏信号输入所述比例积分微分器163并通过所述比例积分微分器163来调节所述介质振荡器140。
请参见图2，所述相位反馈装置160还可以包括放大器166。所述放大器166分别与所述光电探测器162和所述鉴相器164连接。所述光电探测器162输出的拍频电信号可以通过所述放大器166放大后输入所述鉴相器164。
所述相干双色光源生成系统100还可以包括第二分光装置22。所述第二分光装置22设置在所述第二路第一激光的光路上，用于将所述第二路第一激光分为两束。一束用于输出，作为输出的第一激光。另一束用于与所述第二激光合束。
所述相干双色光源生成系统100还可以包括第三分光装置23、第一反射装置12和第四分光装置24。所述第三分光装置23、所述第一反射装置12和所述第四分光装置24设置在同一光束上。通过所述第三分光装置23的光可以经过所述第一反射装置12透射所述第四分光装置24。具体地，所述第三分光装置23设置在所述调制后的第二路第一激光的光路上，用于将所述调制后的第一路第一激光反射进入所述第二激光器120中。所述第三分光装置23设置在所述第二激光的光路上，并透射所述第二激光器120的发出的第二激光。透射所述第三分光装置23后的所述第二激光可以通过所述第一反射装置12，反射进入所述第四分光装置24。所述第四分光装置24将通过所述第一反射装置12反射的所述第二激光分成两束。一束用于输出，并做为输出的第二激光。另一束用于与所述第二路第一激光合束。
请参见图2，在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统100还可以包括第一半波片32、第二反光装置14、第五分光装置25、第六分光装置26。所述第一半波片32设置在所述第二路第一激光所在光路上，用于透射所述第一激光。所述第二反光装置14与所述第一半波片32设置在相同的光路上，用于反射透射所述第一半波片32的所述第二路第一激光。第五分光装置25设置在所述第二反光装置14反射的所述第二路第一激光所在的光路上，用于将所述第二反光装置14反射的所述第二路第一激光分成两束。一束用于输出，并作为输出第一激光。另一束用于与所述第二激光合束。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统100还包括光隔离器150。所述光隔离器150与所述第二激光器120和所述第六分光装置26设置在相同的光路上。所述调制后的第一路第一激光进入所述光隔离器150后入射于所述第二激光器120。所述第二激光器120发出的所述第二激光入射于所述光隔离器150后输出。所述第二激光进入所述第六分光装置26后分为两束。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统100还包括第三反光装置16、第二半波片34、第三半波片36。所述第三反光装置16设置于所述光电调制器130输出的光路上，用于反射所述光电调制器130调制后的第一路第一激光。所述调制后的第一路第一激光透射所述第二半波片34后进入所述光隔离器150。所述第三半波片36，设置于所述光隔离器150与所述第二激光器120之间的光路上。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统100，还包括稳频装置170。所述稳频装置170与所述第一激光器110连接，用于稳定所述第一激光器110发出的第一激光。
在一个实施例中，所述相干双色光源生成系统100还包括第四反光装置18、第七分光装置27。所述第七分光装置用于将所述第一激光发出的第一激光分成两束。一束进入所述第一分光装置21，另一束通过所述第四反光装置18进入所述稳频装置170。
在一个实施例中，所述第一激光器110为分布式布拉格反射(DBR)激光器(distributed Bragg reflector)。所述第二激光器120为DFB(Distributed FeedbackLaser)激光器，即分布式反馈激光器。请参见图3，图3为本发明一个实施例的相干双色光源生成系统与传统相干双色光源生成系统的拍频信号比较图。以参考信号源的载波频率为9.192GHz为例，用快速光电探测器探测输出的相干双色光源光频差的拍频信号，两系统在-3dB处线宽为1Hz。本实施例对相位噪声的抑制优于传统系统。当偏频大于3Hz时，与传统系统相比，偏频噪声得到明显抑制，抑制比达到10dB，偏频25Hz处抑制达到20dB。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的相关装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述程序可存储于一计算机可读取存储介质中，如本发明实施例中，所述程序可存储于计算机系统的存储介质中，并被所述计算机系统中的至少一个处理器执行，以实现包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccess Memory，RAM)等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，随其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种相干双色光源生成系统，其特征在于，包括：
第一激光器(110)，用于发出第一激光；
第一分光装置(21)，用于将所述第一激光分为第一路第一激光和第二路第一激光；
电光调制器(130)，所述第一路第一激光入射于所述电光调制器(130)，所述电光调制器(130)对所述第一路第一激光进行调制并输出调制后的第一路第一激光；
介质振荡器(140)，与所述电光调制器(130)连接，并向所述电光调制器(130)输入调制微波信号从而对所述第一路第一激光进行调制；
第二激光器(120)，所述调制后的第一路第一激光入射于所述第二激光器(120)用于发出第二激光；
相位反馈装置(160)，与所述介质振荡器(140)连接，所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述相位反馈装置(160)从而产生纠偏信号，所述纠偏信号输入所述介质振荡器(140)中以对所述介质振荡器(140)进行调节。
2.如权利要求1所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，所述相位反馈装置(160)包括：
光电探测器(162)，所述第二激光与所述第二路第一激光合束后进入所述光电探测器(162)，从而产生拍频信号；
鉴相器(164)，与所述光电探测器(162)连接，所述拍频信号输入所述鉴相器(164)中并与参考微波信号混频从而得到所述纠偏信号；
微波参考源(165)，与所述鉴相器(164)连接，用于向所述鉴相器(164)输入所述参考微波信号；
比例积分微分器(163)，分别与所述鉴相器(164)和所述介质振荡器(140)连接，所述鉴相器(164)将所述纠偏信号输入所述比例积分微分器(163)并通过所述比例积分微分器(163)来调节所述介质振荡器(140)。
3.如权利要求2所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，所述相位反馈装置(160)还包括：
放大器(166)，分别与所述光电探测器(162)和所述鉴相器(164)连接，用于将所述拍频信号放大后输入所述鉴相器(164)。
4.如权利要求1所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括：
第二分光装置(22)，用于将所述第二路第一激光分为两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二激光合束。
5.如权利要求4所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括：
第三分光装置(23)，用于将所述调制后的第一路第一激光反射进入所述第二激光器(120)中，并透射所述第二激光器(120)的发出的第二激光；
第一反射装置(12)，用于反射透射所述第三分光装置(23)后的所述第二激光；
第四分光装置(24)，用于将通过所述第一反射装置(12)反射的所述第二激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二路第一激光合束。
6.如权利要求1所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括：
第一半波片(32)，用于透射所述第二路第一激光；
第二反光装置(14)，用于反射透射所述第一半波片(32)的所述第二路第一激光；
第五分光装置(25)，用于将经过所述第二反光装置(14)反射的所述第二路第一激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二激光合束；
第六分光装置(26)，用于将所述第二激光分成两束，一束用于输出，另一束用于与所述第二路第一激光合束。
7.如权利要求1所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括光隔离器(150)，所述调制后的第一路第一激光进入所述光隔离器(150)后入射于所述第二激光器(120)，所述第二激光器(120)发出的所述第二激光入射于所述光隔离器(150)后输出。
8.如权利要求7所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括：
第三反光装置(16)，用于反射所述调制后的第一路第一激光；
第二半波片(34)，所述调制后的第一路第一激光透射所述第二半波片(34)后进入所述光隔离器(150)；
第三半波片(36)，设置于所述光隔离器(150)与所述第二激光器(120)之间的光路。
9.如权利要求1所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括稳频装置(170)，与所述第一激光器(110)连接，用于稳定所述第一激光器(110)发出的激光。
10.如权利要求9所述的相干双色光源生成系统，其特征在于，还包括：
第七分光装置(27)，用于将所述第一激光分成两束，一束进入所述第一分光装置(21)，另一束进入所述稳频装置(170)；
第四反光装置(18)，用于反射经过所述第七分光装置(27)分束的另一束第一激光进入所述稳频装置(170)。
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