CN109066274A - 基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，涉及原子干涉领域，用于冷原子干涉仪。本系统的结构是：种子激光器单元（10）和激光分束单元（20）前后交互，激光分束单元（20）分别与激光调制单元（30）和原子滤光单元（40）交互，原子滤光单元（40）和激光调制单元（30）交互，原子滤光单元（40）、功率放大单元（50）和激光控制单元（60）依次交互。本发明是通过一个原子滤光器将种子激光器频率锁在它的透射峰上，同时用该原子滤光器对激光调制单元输出的光束进行滤光，滤除多余边带，来去掉多余边带对原子干涉仪测量精度的限制。本发明将推动原子干涉仪的小型化和应用。

Description

基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法
技术领域
本发明涉及原子干涉领域，尤其涉及一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，用于冷原子干涉仪。
背景技术
原子干涉仪作为一种新型的高精度测量工具，已被应用于重力、重力梯度和转动的高精度测量，也被用于基础物理的研究，如验证等效原理，寻找引力波源等。原子干涉仪的小型化是原子干涉仪发展的趋势。美国斯坦福大学已经研制出小型原子干涉仪的原理样机，用于重力梯度测量和地球转动的测量。利用小型原子重力仪从太空描绘地球重力场和在太空检验弱等效原理的科学实验项目也正在稳步推进中。小型原子干涉仪将在资源勘探、环境监测和基础物理研究等方面发挥重要作用。
拉曼激光光学系统对小型原子干涉仪来说非常关键。拉曼激光光学系统主要用于产生操纵原子形成干涉所需的拉曼激光。拉曼激光的性能直接决定原子干涉仪的测量精度、可靠性和环境适应性。拉曼激光的产生方案是影响拉曼激光的性能和拉曼激光光学系统的集成度和可靠性的主要因素。此外，减少光学器件数量、缩短光路也是提高拉曼激光性能和拉曼激光光学系统集成度和可靠性的另外一个重要的途径。
目前，原子干涉仪的拉曼激光主要通过拍频锁相(OPLL)、电光调制器(EOM)调制和AOM移频方案产生。AOM移频方案产生拉曼激光的效率低并且对震动噪声敏感，不适合用于小型原子干涉仪。德国洪堡大学A.Peter研究小组为可搬运原子重力仪研制的集成光学系统采用拍频锁相方案。他们将两台独立的激光器进行拍频锁相来获得拉曼激光(M.Schmidtet al，Appl Phys B，102:11-18，2004)，但该方案产生的拉曼激光的相位噪声受限于反馈带宽和射频参考源的相位噪声，并且需要两台激光器，光路和电路复杂。目前，小型原子干涉仪中主要采用电光调制器(EOM)调制的方法来产生拉曼激光。由电光调制器(EOM)调制的方案产生的拉曼激光的优点是由于震动通过光路中光学元件引入的相位噪声是共模的，可以完全消除，不影响原子干涉仪的精度。缺点是该拉曼激光束中存在多余边带，边带之间形成多对拉曼激光。多对拉曼激光相互干扰，引入附加相位噪声，从而限制原子干涉仪的测量精度(>8×10-8g)。此外，多对拉曼激光使得拉曼激光的脉冲(π/2或π脉冲)的效率依赖于原子的位置，不利于充分利用干涉区长度来增加原子的自由演化时间T。因而在实验室建设的高精度原子干涉仪中不采用电光调制方案来产生拉曼激光。为了消除边带的干扰，法布里-珀罗(FP)腔被用于滤除多余边带，保留±1级边带作为拉曼激光，但该腔本身对震动和温度敏感，不适合震动噪声大的环境，并且±1级的光强相同，不能通过调制光强比例来消除一阶塞曼效应。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，具有低噪声、抗震和可靠的特点。
本发明的目的是这样实现的：
利用同一个原子滤光器既对种子激光器进行稳频，又对电光调制器(EOM)输出的调制光束进行滤光；稳频的结果是在不借助任何电光调制器(EOM)或移频元件(AOM)的情况下，获得拉曼激光所需要的大失谐，使光路简化，稳定性提高；滤光的结果是将调制光束中的拉曼激光所需的两个频率成份(载波和+1级边带或载波和-1级边带)保留，而将其余频率成份滤除，从而移除多余边带对原子干涉仪精度的限制，同时拉曼激光的两个频率成份的光强比例可调，可消除一阶塞曼效应的影响。
具体地说：
一、基于原子滤光器的拉曼激光光学系统(简称系统)
如图1，本系统包括种子激光器单元、激光分束单元、激光调制单元、原子滤光单元、功率放大单元和激光控制单元；
种子激光器单元和激光分束单元前后交互，激光分束单元将种子激光器单元产生的种子激光分为两束；
激光分束单元分别与激光调制单元和原子滤光单元交互，一束入射原子滤光单元，用于稳频；另一束入射激光调制单元，产生拉曼激光所需的两个频率成份；
原子滤光单元和激光调制单元交互，滤除多余边带；
原子滤光单元、功率放大单元和激光控制单元依次交互，经过放大和控制，进入原子干涉仪的物理系统用于操纵冷原子。
二、基于原子滤光器的拉曼激光光学系统的滤光方法(简称方法)
本方法巧妙地利用原子滤光器的4个主要透射峰进行稳频和滤光，来获得频率干净、且相位噪声低和长期稳定性好的拉曼激光；稳频选用第1透射峰，而滤光选用第1和第3透射峰，滤光后得到红失谐的拉曼激光；同理，稳频选用第2透射峰，滤光使用第2和第4透射峰，滤光后得到蓝失谐的拉曼激光；两种拉曼激光的滤光步骤完全相同，区别仅在于选用的原子滤光器的透射峰不同。
具体如下：
①获得红失谐的拉曼激光的滤光方法：
A、选取原子滤光器42的透射谱
调节原子滤光器42的温度、磁场使原子滤光器42有4个透射率在80％以上的透射峰，第1透射峰和第3透射峰的频率间隔约为原子D2线基态能级分裂相应的频率；
B、激光锁频在原子滤光器42的第1透射峰
扫描种子激光器11的电流，通过光电探测器43观测来自分束器42的锁频光束，通过原子滤光器42的透射谱，将种子激光器11的激光频率锁定在原子滤光器42的第1透射峰上；
C、电光调制器33产生拉曼激光
波导型电光调制器33在频率与碱金属原子D2线对应的射频的驱动下，使通过波导型电光调制器33的光束产生边带，其中载频和+1级边带用于拉曼激光，其它边带产生干扰，需要滤除；
D、利用原子滤光器42滤除寄生边带
当激光频率锁定在第1透射峰时，载频和+1级边带构成拉曼激光，调制激光束通过原子滤光器42后，只有载频和+1级边带的频率处在原子滤光器42的通带，即载频从第1透射峰透射，而+1级边带从第3透射峰透射，而其余边带处在原子滤光器42的阻带，衰减在50dB以上；因此，调制激光束通过原子激光器42滤光之后，调制激光束中只保留拉曼激光所要求的两个频率成份，寄生边带被滤除；
②获得蓝失谐的拉曼激光的滤光方法：
a、选取原子滤光器42的透射谱
调节原子滤光器42的温度、磁场使原子滤光器42有4个透射率在80％以上的透射峰，第2透射峰和第4透射峰的频率间隔约为原子D2线基态能级分裂相应的频率；
b、激光锁频在原子滤光器42的第2透射峰
扫描种子激光器11的电流，通过光电探测器43观测来自分束器42的锁频光束，通过原子滤光器42的透射谱，将种子激光器11的激光频率锁定在原子滤光器42的第2透射峰上；
c、电光调制器33产生拉曼激光
波导型电光调制器33在频率与碱金属原子D2线对应的射频的驱动下，使通过波导型电光调制器33的光束产生边带，其中载频和-1级边带用于拉曼激光，其它边带产生干扰，需要滤除；
d、利用原子滤光器滤除寄生边带
当激光频率锁定在第2透射峰时，载频和-1级边带构成拉曼激光。调制激光束通过原子滤光器42后，只有载频和-1级边带的频率处在原子滤光器42的通带，即载频从第2透射峰透射，而-1级边带从第4透射峰透射，而其余边带处在圆子滤光器42的阻带，衰减在50dB以上；因此，调制激光束通过原子激光器42滤光之后，调制激光束中只保留拉曼激光所要求的两个频率成份，寄生边带被滤除。
本发明具有下列优点和积极效果：
①本光学系统采用电光调制器调制方案搭建，对震动噪声免疫，光路中仅一个种子激光器和一个电光调制器，是到目前为止，采用同类方案中使用电光调制器最少的光学系统；
②用原子滤光器滤除电光调制器调制产生的拉曼激光束中的多余边带，使拉曼光束仅含有两个频率成份，移除多余边带对原子干涉仪测量精度的限制，同时两个频率成份光强比例可调，可消除一阶塞曼效应的影响，使基于原子滤光器的电光调制拉曼光方案不但可以用于移动测量的小型原子干涉仪，也可用于实验室中高精度的原子干涉仪中，来简化光路和电路，进一步降低拉曼光学系统的震动相位噪声；
③用同一个原子滤光器来稳频和滤光，既锁定激光的载波频率，又保证激光的载波频率处在原子滤光器的透射峰的中心，提高光路的稳定性，同时节约了稳频所使用的一系列的光学元件和相应的电路；
④用原子滤光器的第1透射峰或第2透射峰稳频，可在不借助电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)的情况下，实现拉曼激光所需的大失谐(约1GHz)，简化光路，提高光路的稳定性；
⑤光路中不包含倍频器件，仅使用一个种子激光器，可大大减小光路体积和成本，提高可靠性。
总之，本发明是通过一个原子滤光器将种子激光器频率锁在它的透射峰上，同时用该原子滤光器对激光调制单元输出的光束进行滤光，滤除多余边带，来去掉多余边带对原子干涉仪测量精度的限制。本发明将推动原子干涉仪的小型化和应用，将使原子干涉仪在资源勘探、环境监测和基础物理研究等方面发挥重要作用。
附图说明
图1为本系统的结构方框图；
图2为原子滤光器42的结构示意图；
图3为铷87原子滤光器42的透射谱。
其中：
10—种子激光单元，
11—种子激光器，12—光隔离器；
20—激光分束单元，
21—激光分束二分之一波片，22—分束器；
30—激光调制单元，
31—激光调制二分之一波片，32—第1光纤耦合器，
33—电光调制器(EOM)，34—第2光纤耦合器；
40—原子滤光单元，
41—原子滤光二分之一波片，
42—原子滤光器，
421—第1格兰泰勒偏振棱镜，
4221—第1磁场线圈，4222—第2磁场线圈，
423—加热线圈，
424—碱金属原子蒸气泡，
425—第2格兰泰勒偏振棱镜，
43—光电探测器；
50—激光功率放大单元，
51—第1光隔离器，52—激光功率放大二分之一波片，
53—激光功率放大器，
54—第2光隔离器；
60—激光控制单元，
61—激光控制二分之一波片，62—声光调制器(AOM)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
如图1，本系统包括种子激光单元10、激光分束单元20、激光调制单元30、原子滤光单元40、功率放大单元50和激光控制单元60；
种子激光单元10和激光分束单元20前后交互，激光分束单元20将种子激光单元10产生种子激光分为两束；
激光分束单元20分别与激光调制单元30和原子滤光单元40交互，一束入射原子滤光单元40，用于稳频；另一束入射激光调制单元30，产生拉曼激光所需的两个频率成份；
原子滤光单元40和激光调制单元30交互，滤除多余边带；
原子滤光单元40、激光功率放大单元50和激光控制单元60依次交互，经过放大和控制，进入原子干涉仪的物理系统用于操纵冷原子。
其光路为：
种子激光器单元10产生单模激光，该激光束通过激光分束单元20分为两束：其中一束通过原子滤光单元40，该单元的原子滤光器42对经过它的激光滤光选频后被其后方的光电探测器43转换为电信号，该电信号用于反馈稳定种子激光单元10的激光频率；另一束单频激光经过激光调制单元30后变为包含载波和边带的多频率激光，只有载频和+1级边带或载频和-1级边带几乎无损通过原子滤光器单元40，其余边带被滤除；只包含载频和边带(+1级或-1级)的拉曼激光束通过激光功率放大单元50进行功率放大，再经激光控制单元60进行激光功率控制和时序控制后输出到原子干涉仪的物理系统；
种子激光单元10输出的激光频率在碱金属的D2线跃迁频率正负失谐20GHz范围之内；
原子滤光器单元40的透射频率由原子滤波器42中的碱金属样品和样品周围的温度和磁场共同决定。
二、功能部件
1、种子激光单元10
如图1，种子激光单元10包括前后交互的种子激光器11和光隔离器12。
其光路为：种子激光器11输出的单模激光经光隔离器12后输出；旋转光隔离器12使种子激光器11输出激光的偏振方向与光隔离器12的偏振方向一致。
种子激光器11为半导体激光管，输出波长为780nm或852nm，分别对应碱金属铷87原子和铯原子D2线的跃迁波长。
2、激光分束单元20
如图1，激光分束单元20包括前后交互的激光分束二分之一波片21和分束器22。
其光路为：入射激光经过激光分束二分之一波片21后，通过分束器22分为功率不同的两束；两束光的功率比例通过旋转激光分束二分之一波片21来调节，一束光功率约为2mW，输出给原子滤光单元40用于稳频；另一束光功率约几十个mW，输出给激光调制单元30。
3、激光调制单元30
如图1，激光调制单元包括依次交互的激光调制二分之一波片31、第1光纤耦合器32、波导型电光调制器33和第2光纤耦合器34。
其光路为：入射光束经过激光调制二分之一波片31调整偏振方向后，通过第1光纤耦合器32耦合进波导型电光调制器33进行调制，调制光束从第2光纤耦合器34输出。
4、原子滤光单元40
如图1，原子滤光器单元40包括依次交互的原子滤光二分之一波片41、原子滤光器42和光电探测器43。
其光路为：入射光路有两束，其中一束来自于激光分束单元20，另一束来自于激光调制单元30；来自于激光分束单元20的激光束经原子滤光器42选频后被光电探测器43转换为电信号用于稳频，旋转原子滤光器42使它的偏振方向与入射激光的偏振方向一致；来自于激光调制单元30的包含载频和边带的光束经原子滤光二分之一波片41调整偏振方向后，通过原子滤光器42滤除多余边带后输出；透射光束只有两个频率成份：载频和+1级边带或载频和+1级边带。
如图2，原子滤光器42包括第1格兰泰勒偏振棱镜421、第1磁场线圈4221、第2磁场线圈4222、加热线圈423、碱金属原子蒸气泡424和第2格兰泰勒偏振棱镜425；
第1格兰泰勒偏振棱镜421、第1磁场线圈4221、碱金属原子蒸气泡424、第2磁场线圈4222和第2格兰泰勒偏振棱镜425依次交互，在碱金属原子蒸气泡424外设置有加热线圈423。
其工作机理是：
原子滤光器42是由一对偏振方向垂直的第1、2格兰泰勒偏振棱镜421、425中间放置一个碱金属蒸气泡424组成，碱金属原子蒸气泡424的温度T由无磁缠绕的加热线圈423来控制，匀强磁场B由第1、2磁场线圈4221、4222产生；原子滤光器42的透射光谱由碱金属原子蒸气泡424中的原子类型、泡的长度L、泡的温度T和磁场B有关；其共同特征是碱金属原子D2线吸收峰在磁场中分裂为两个，在每个吸收峰的两翼各自有一个透射峰，例如铷87原子的原子滤光器42的透射谱如图3所示，共有4个透射峰：在F’＝1,2,3→F＝2的吸收峰两边各有一个透射峰，即第1透射峰f1和第2透射峰f2；在F’＝0,1,2→F＝1的吸收峰两边也各有一个透射峰，即第3透射峰f3和第4透射峰f4。
5、激光功率放大单元50
如图1，激光功率放大单元50包括依次交互的第1光隔离器51、激光功率放大二分之一波片52、激光功率放大器53和第2光隔离器54。
其光路为：入射光束依次经第1光隔离器51和激光功率放大二分之一波片52后，注入激光功率放大器53进行放大，功率放大后的光束经第2光隔离器54后输出。
激光功率放大器53为半导体锥形激光放大器(TA)。
6、激光控制单元60
激光控制单元60包括前后交互的激光控制二分之一波片61和声光调制器(AOM)62。
其光路为：入射光经激光控制二分之一波片61校正偏振后，通过声光调制器(AOM)62输出；输出激光功率的大小通过声光调制器(AOM)62的射频驱动功率的大小进行控制；输出激光束的有无通过声光调制器(AOM)62的射频驱动开关来控制。
本系统的特征及效果：
①本系统使用单一的种子激光器11产生单模激光，通过原子滤光器42的透射峰来产生锁频信号，将激光锁定在第1透射峰或第2透射峰，激光频率具有良好的长期稳定性，同时不借助移频元件或调制元件获得拉曼激光所需的大失谐；
②本系统采用单一的种子激光，通过调制获得拉曼激光所需的频率差等于D2线基态能级分裂对应的两个频率成份，在光束传输过程中两个频率成份的光路完全一样，因此光学元件或环境因素引入的相位噪声对两个频率成份是完全相同的，可以通过差分完全剔除；
③本系统基于原子滤光器42，滤除多余的拉曼激光对，消除多余拉曼激光引起拉曼脉冲对原子位置的依赖性，同时消除因多组拉曼激光相互干扰引入的相位噪声。
三、工作原理
本系统主要功能是产生冷原子干涉仪所需的具有低噪声和长期稳定性的拉曼激光。
该系统的核心光学器件是原子滤光器42，用它稳频，不用借助任何声光调制器(AOM)或电光调制器(EOM)就可以获得拉曼激光所需的约1GHz左右大失谐；用它滤光，可以滤除利用电光调制器产生的拉曼激光的寄生边带，其抑制比取决于格兰泰勒棱镜的消光比。
下面首先介绍原子滤光器42的工作原理，透射光谱特征，然后介绍拉曼激光的产生和滤光过程。
在原子滤光器42中的碱金属原子蒸气泡424中的原子与原子干涉仪所操纵的原子是同种原子；原子滤光器42的结构如图2所示，光束经过第1格兰泰勒偏振棱镜421后变为线偏振光；该线偏光在沿磁场方向通过碱金属原子蒸气泡424时，由于法拉第旋光效应，偏振方向发生旋转；当偏振方向刚好转过90度时，则该光几乎无损通过第2格兰泰勒偏振棱镜425，否则被抑制；原子滤光器42的透射谱与碱金属原子的种类、温度T、磁场B和泡的长度L有关，其共同特征是原子D2有两个吸收峰分别对应激发态到两个基态的跃迁，在每个吸收峰的两翼各有一个透射峰，共有4个透射峰。例如铷87原子滤光器42在泡长为L＝2.54，温度为T＝95℃，磁场B＝80Gs时的透射谱如图3所示，共有4个透射峰：第1透射峰f1、第2透射峰f2、第3透射峰f3、第4透射峰f4；第1透射峰f1和第3透射峰f3的频率间隔约等于铷87原子D2线基态能级分裂对应的频率约6.8GHz，并且第1透射峰相对于F’＝1→F＝2的跃迁频率线红失谐Δ～1GHz左右，且4个透射峰的透射率达到80％以上；同理，第2透射峰和第4透射峰的频率间隔约6.8GHz，并且第2透射峰相对于F’＝1→F＝2的跃迁频率蓝失谐Δ～1GHz左右。
种子激光单元10的核心是种子激光器11；该种子激光器11输出激光波长与原子干涉仪所操纵的碱金属原子D2线的跃迁波长相匹配；例如原子干涉仪操纵的原子是铷87原子，种子激光器11可以是输出波长为780nm的DFB半导体激光管，其频率可通过激光管的电流和温度进行调谐；种子激光器11产生的激光束通过光隔离器12后输出给激光分束单元20；旋转光隔离器12的偏振方向使光隔离器12的通光偏振方向与种子激光器11输出激光的偏振方向一致；光隔离器12的作用是避免光路中光学元件的表面反射激光进入种子激光器11,导致种子激光器11输出的激光频率和功率的波动。
激光分束单元20的作用是将来自种子激光单元10的光束经激光分束二分之一波片21后，在光束经激光分束二分之一波片21上分为两束：一束通过原子滤光单元40，将激光频率锁定在原子滤光器42的第1透射峰或第2透射峰上；另一束经激光调制单元30调制后产生拉曼激光；两束激光的功率比可通过旋转激光分束二分之一波片21来调节。
激光调制单元30的核心元件是波导型电光调制器(EOM)33。调制类型可以是相位调制或强度调制；假设通过光纤耦合进入波导型电光调制器(EOM)33的激光频率为ω0，波导型电光调制器(EOM)33的调制频率为ω1，则调制后激光束的频率含载频ω0，±1级边带ω0±ω1，±2级边带ω0±2ω1，……；如果激光频率被锁定在原子滤光器42的第1透射峰上，则拉曼激光由载频ω0和+1级边带ω0+ω1组成，且红失谐；载频ω0和-1级边带ω0-ω1，及相邻两个边带ω0+nω1和ω0+(n+1)ω1或ω0-nω1和ω0-(n+1)ω1也可组成寄生拉曼激光对，这里n＝1,2,……；如果激光频率被锁定在原子滤光器42的第2透射峰上，则拉曼激光由载频ω0和-1级边带ω0-ω1组成，且蓝失谐；载频ω0和+1级边带ω0+ω1，及相邻两个边带ω0+nω1和ω0+(n+1)ω1或ω0-nω1和ω0-(n+1)ω1组成寄生拉曼激光对，这里n＝1,2,……；寄生拉曼激光的出现使得原子的拉曼发射具有位置依赖性，在干涉区长度一定的情况限制自由演化时间T，同时会形成多个干涉环路，引入相位噪声，限制原子干涉仪测量的精度。
为了消除寄生拉曼激光的影响，提高原子干涉仪测量的精度，从激光调制单元30输出的光用原子滤光器单元40进行滤光，去除边带；当激光频率锁定在原子滤光器42的第1透射峰时，载波ω0和+1级边带ω0+ω1的频率刚好处在原子滤光器42的通带，即第1透射峰和第3透射峰处，几乎无损透过；而其它频率成份ω0±nω1处在滤光器的止带，全部被滤除掉；当激光频率锁定在原子滤光器42的第2透射峰时，情况类似，拉曼光由载波ω0和-1级边带ω0-ω1组成，其它边带被滤除掉；因此，当从激光调制单元30输出的激光经过原子滤光器42后，只保留拉曼激光所必要的两个频率成份：ω0和-1级边带ω0-ω1或ω0和+1级边带ω0+ω1，去除多余的边带；并且两个频率成份的光强比例可通过控制电光调制器(EOM)的调制深度来控制，以去除一阶塞曼效应的影响。
从原子滤光器单元40输出的拉曼激光的功率约20～30mW，不能满足拉曼激光功率要求，需要进一步通过激光功率放大单元50进行放大；旋转第1光隔离器51使它的偏振方向与入射光束的偏振方向一致，光束经过激光功率二分之一波片52后注入激光功率放大器53进行放大，放大后的光束经第2光隔离器55输出给激光控制单元60，输出光束功率在200mW以上；激光功率二分之一波片52用来匹配第1光隔离器51和注入光束偏振方向；第1光隔离器51和第2光隔离器55用来隔离镜面反射光束进入激光功率放大器53以免造成输出光束的功率和频率不稳定。
激光控制单元60主要是用声光调制器来控制拉曼激光所需的功率和时序；典型的3080-125声光调制器的开关时间在100ns以内，消光比>40dB；入射的激光束经激光控制二分之一波片61调整偏振后，进入声光调制器(AOM)602进行衍射，取+1级边带或-1级边带耦合进光纤，通过光纤传输拉曼激光到物理系统，扩束后用于操作原子干涉。
四、实施例
本系统为铷87原子干涉仪提供低噪声、具有优良长期稳定性和环境适应性的拉曼激光。
具体方案为：
A、种子激光单元10中的种子激光器11为工作波长为780nm的DFB半导体激光器；
B、激光分束单元20中的分束器22为偏振分光棱镜；
C、电光调制器(EOM)33采用iXBlue的光纤电光调制器，调制频率可达20GHz。
D、原子滤光单元40中的原子滤光器42的碱金属为铷87原子，泡长2.54cm，格兰泰勒棱镜的孔径为20mm，可同时通过稳频光束和拉曼光束；
E、激光功率放大单元50中的激光功率放大器53采用功率为500mW的半导体锥形激光放大器(TA)；
F、激光控制单元60中的功率和时序选用开关速度小于100ns、消光比达到40dB的声光调制器(AOM)；
该方案中的关键光学器件为原子滤光器42；设置原子滤光器42的温度为T＝95℃，磁场为B＝80Gs，其透射谱如图3所示，第1透射峰f1和第3透射峰f3的频率间隔约为6.8GHz；
种子激光器11输出波长为780nm的种子激光，该激光束经激光分束单元20后分为两束；一束通过原子滤光单元40的原子滤光器42后，被光电探测器43转换为锁频电信号，将种子激光器11的频率锁定在原子滤光器42的第1透射峰上，频率为ω0；另一束经第1光纤耦合器32后进入波导型光纤调制器33进行调制，调制频率ω1约为6.8GHz；从第2光纤耦合器34输出的激光频率成份为载频ω0和各级边带ω0±nω，其中n＝1,2,3,……；此多频光束经过原子滤波单元40后，只有载频ω0和+1级边带处在原子滤光器42的第1透射峰f1和第3透射峰f3，其余边带全部被滤除；载频ω0和+1级边带ω0+ω构成操纵原子的红失谐约为1.2GHz的拉曼激光；该拉曼激光经功率放大单元60后，光束功率达到200mW以上，最终经激光控制60输出到物理系统干涉区。

Claims (5)

1.一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统，其特征在于：
包括种子激光器单元（10）、激光分束单元（20）、激光调制单元（30）、原子滤光单元（40）、功率放大单元（50）和激光控制单元（60）；
种子激光器单元（10）和激光分束单元（20）前后交互，激光分束单元（20）将种子激光器单元（10）产生种子激光分为两束；
激光分束单元（20）分别与激光调制单元（30）和原子滤光单元（40）交互，一束入射原子滤光单元（40），用于稳频；另一束入射激光调制单元（30），产生拉曼激光所需的两个频率成份；
原子滤光单元（40）和激光调制单元（30）交互，滤除多余边带；
原子滤光单元（40）、功率放大单元（50）和激光控制单元（60）依次交互，经过放大和控制，进入原子干涉仪的物理系统用于操纵冷原子。
2.按权利要求1所述的基于原子滤光器的拉曼激光光学系统，其特征在于：
所述的激光调制单元（30）包括依次交互的激光调制二分之一波片（31）、第1光纤耦合器（32）、电光调制器（33）和第2光纤耦合器（34）。
3.按权利要求1所述的基于原子滤光器的拉曼激光光学系统，其特征在于：
所述的原子滤光单元（40）包括依次交互的原子滤光二分之一波片（41）、原子滤光器（42）和光电探测器（43）；
原子滤光器（42）包括第1格兰泰勒偏振棱镜（421）、第1磁场线圈（4221）、第2磁场线圈（4222）、加热线圈（423）、碱金属原子蒸气泡（424）和第2格兰泰勒偏振棱镜（425）；第1格兰泰勒偏振棱镜（421）、第1磁场线圈（4221）、碱金属原子蒸气泡（424）、第2磁场线圈（4222）和第2格兰泰勒偏振棱镜（425）依次交互，在碱金属原子蒸气泡（424）外设置有加热线圈（423）。
4.按权利要求1所述的基于原子滤光器的拉曼激光光学系统，其特征在于：
所述的激光功率放大单元（50）包括依次交互的第1光隔离器（51）、激光功率放大二分之一波片（52）、激光功率放大器（53和）第2光隔离器（54）。
5.按权利要求1-4所述的基于原子滤光器的拉曼激光光学系统的滤光方法，其特征在于：
①获得红失谐的拉曼激光的滤光方法：
A、选取原子滤光器（42）的透射谱
调节原子滤光器（42）的温度、磁场使原子滤光器（42）有4个透射率在80%以上的透射峰，第1透射峰和第3透射峰的频率间隔约为原子D2线基态能级分裂相应的频率；
B、激光锁频在原子滤光器（42）的第1透射峰
扫描种子激光器（11）的电流，通过光电探测器（43）观测来自分束器（22）的锁频光束，通过原子滤光器（42）的透射谱，将种子激光器（11）的激光频率锁定在原子滤光器（42）的第1透射峰上；
C、电光调制器（33）产生拉曼激光
波导型电光调制器（33）在频率与碱金属原子D2线对应的射频的驱动下，使通过波导型电光调制器（33）的光束产生边带，其中载频和+1级边带用于拉曼激光，其它边带产生干扰，需要滤除；
D、利用原子滤光器（42）滤除寄生边带
当激光频率锁定在第1透射峰时，载频和+1级边带构成拉曼激光，调制激光束通过原子滤光器（42）后，只有载频和+1级边带的频率处在原子滤光器42的通带，即载频从第1透射峰透射，而+1级边带从第3透射峰透射，而其余边带处在原子滤光器（42）的阻带，衰减在50dB以上；因此，调制激光束通过原子激光器42滤光之后，调制激光束中只保留拉曼激光所要求的两个频率成份，寄生边带被滤除；
②获得红失谐的拉曼激光的滤光方法：
a、选取原子滤光器（42）的透射谱
调节原子滤光器（42）的温度、磁场使原子滤光器（42）有4个透射率在80%以上的透射峰，第2透射峰和第4透射峰的频率间隔约为原子D2线基态能级分裂相应的频率；
b、激光锁频在原子滤光器（42）的第2透射峰
扫描种子激光器（11）的电流，通过光电探测器43观测来自分束器（22）的锁频光束，通过原子滤光器（42）的透射谱，将种子激光器（11）的激光频率锁定在原子滤光器（42）的第2透射峰上；
c、电光调制器（33）产生拉曼激光
波导型电光调制器（33）在频率与碱金属原子D2线对应的射频的驱动下，使通过波导型电光调制器（33）的光束产生边带，其中载频和-1级边带用于拉曼激光，其它边带产生干扰，需要滤除；
d、利用原子滤光器滤除寄生边带
当激光频率锁定在第2透射峰时，载频和-1级边带构成拉曼激光，调制激光束通过原子滤光器（42）后，只有载频和-1级边带的频率处在原子滤光器（42）的通带，即载频从第2透射峰透射，而-1级边带从第4透射峰透射，而其余边带处在圆子滤光器（42）的阻带，衰减在50dB以上；因此，调制激光束通过原子激光器（42）滤光之后，调制激光束中只保留拉曼激光所要求的两个频率成份，寄生边带被滤除。
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