CN109449742A - 一种用于serf原子惯性测量装置激光双稳频光路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，该双稳频光路系统对SERF惯性测量装置的抽运激光器及检测激光器进行同时频率锁定，为实现SERF高精度测量提供高频率稳定度的双激光光源，该系统主要包括抽运激光稳频光路结构、频率稳定度传递光路结构、和检测激光稳频光路结构和拍频检测光路结构几部分。抽运激光稳频光路结构用于对SERF惯性测量装置抽运光进行频率锁定；频率稳定度传递光路用于将抽运光的频率稳定度传递给检测激光；检测激光稳频光路系统用于对SERF惯性测量装置检测激光进行频率锁定；拍频检测系统用于对检测激光的频率稳定度进行检测。本发明光路布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单。

Description

一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统
技术领域
本发明涉及SERF惯性测量装置领域，具体涉及一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统。
背景技术
高精度的惯性导航系统是国防军事领域的重大需求，而陀螺仪作为惯性导航系统的关键部件之一，在国民经济与国防建设领域具有重要地位。传统的转子陀螺仪、光学陀螺仪都遇到了精度提高的瓶颈，因此量子陀螺仪逐渐成为研究的热点。随着量子调控技术的发展，利用原子自旋进动特性构造的无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free，SERF)原子自旋陀螺仪已经得到原理验证，并被认为是下一代高精度陀螺仪的发展方向，具有重要的科学意义和工程实用价值。
2005年，美国普林斯顿大学物理系的研究人员在开展电荷共轭-宇称-时间反演是否对称破缺(CPT violation)的研究中偶然发现了一种新型的原子自旋陀螺仪，其理论研究已十分成熟，我国虽然实现了SERF原子自旋陀螺仪效应，获得了较高的灵敏度，但在提高精度过程中存在很多技术难题。尤其是检测激光工作频率原理原子吸收共振频率无法通过饱和吸收方法进行稳频，通过常规的FP腔稳频，容易受环境温度及震动影响严重。为解决这一问题，需要将抽运光的频率稳定度通过FP腔，传递给检测光使之频率稳定。
发明内容
本发明的目的是：克服现有稳频技术的不足，提供一种可以方便地实现SERF惯性测量装置抽运光和检测光同时稳频的激光双稳频光路系统。该激光双稳频光路系统光路布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，可对SERF惯性测量装置激光双稳频系统技术进行实验研究，为高精度SERF惯性测量装置双激光光源稳频系统的研制提供了基础。
本发明采用的技术方案是：一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，包括抽运激光稳频光路结构1、频率稳定度传递光路结构2、检测激光稳频光路结构3、拍频检测光路结构4；其中抽运激光稳频光路结构1将抽运光分成三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置工作介质的抽运。第二束用于饱和吸收稳频。第三束用于频率稳定度的传递。检测激光稳频光路结构3将光检测光分为三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置输出信号的检测。第二束进入频率稳定度传递光路系统2进行稳频。第三束进入拍频检测光路结构4进行频率稳定度实时检测。拍频检测光路结构4将检测光与拍频参考激光进行拍频，实时检测检测激光的频率稳定性。
所述抽运激光稳频光路结构1采用三角形饱和吸收光路，经稳频后的抽运激光，进入频率稳定度传递光路结构2，用于法布里-珀罗腔(FP腔)2-4的腔长锁定。具体光路流程为：抽运激光器1-1输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(IOS)1-2，经第一半波片(λ/2)1-3和第一偏振分束器(PBS)1-4分为两束，一束用于饱和吸收稳频及频率稳定的传递，另一束用于原子惯性测量装置工作介质的抽运。饱和吸收稳频及频率稳定的传递的光束经第二半波片(λ/2)1-5和第二偏振分束器(PBS)1-6分为两束，一束经反射镜1-12和反射镜1-13反射进入频率稳定度传递光路结构2，该第三半波片(λ/2)2-1及第三偏振分束器(PBS)2-2进入法布里-珀罗腔(FP腔)2-4；另一束用于饱和吸收稳频，经第一分波片(GBS)1-7分为两束，经第一分波片(GBS)1-7反射的一束进入铷原子气室1-9，之后经第一半透半射镜1-10，透射光进入第一光电探测器(PD)1-11。经第一分波片(GBS)1-7透射的一束光经第一反射镜1-8和第一半透半射镜1-10反射进入铷原子气室1-9并与经第一分波片(GBS)1-7反射后进入气室的光束重合。
所述频率稳定度传递光路结构2中抽运激光经过第三半波片(λ/2)2-1与经过第四半波片(λ/2)2-3的检测激光通过第三偏振分束器(PBS)2-2进行合束。合束后的两束光进入FP腔2-4。两束光经过法布里-珀罗腔(FP腔)2-4后通过第四偏振分束器(PBS)2-5进行分束。抽运光进入第二光电探测器(PD)2-6，检测光进入第三光电探测器(PD)2-7。
所述检测激光稳频光路系统3采用FP腔稳频结构，与频率稳定度传递光路结构2共用第四半波片(λ/2)2-3、第三偏振分束器(PBS)2-2、法布里-珀罗腔(FP腔)2-4、第四偏振分束器(PBS)2-5和第三光电探测器(PD)2-7。具体光路流程为：检测激光器3-1经检测激光光电隔离器(IOS)3-2，第五半波片(λ/2)3-3及第五偏振分束器(PBS)3-4分为两束，其中一束进入SERF原子惯性测量装置用于输出信号检测；另一束光束经第四反射镜3-5、第五反射镜3-6，和第六半波片(λ/2)3-7进入第六偏振分束器(PBS)3-8后分为两束光，其中一束进入频率稳定度传递系统进行稳频，经第四半波片(λ/2)2-3、第三偏振分束器(PBS)2-2、法布里-珀罗腔(FP腔)2-4、第四偏振分束器(PBS)2-5后进入第三光电探测器(PD)2-7。另一束经第六反射镜3-9反射后进入拍频检测光路系统4。
所述拍频检测光路结构4拍频参考激光器4-1与检测激光器3-1为同一波长外腔半导体激光器，且通过饱和吸收稳频，所用饱和吸收光路结构为三角形饱和吸收光路。具体光路流程为：拍频参考激光器4-1输出激光经拍频参考激光器光电隔离器(IOS)4-2、第七半波片(λ/2)4-3及第七偏振分束器(PBS)4-4分成两束光，其中一束用于饱和吸收稳频，经第七反射镜4-5，第二分波片(GBS)4-6分为两束，经第二分波片(GBS)4-6反射的一束进入钾原子气室4-8，之后经第二半透半反镜4-9，透射光进入第四光电探测器(PD)4-10。经第二分波片(GBS)4-6透射的一束光经第八反射镜4-7和第二半透半反镜4-9反射进入钾原子气室4-8并与经第二分波片(GBS)4-6反射后进入气室的光束重合。另一束经第九反射镜4-11和第十反射镜4-12反射后，通过第八偏振分束器(PBS)4-15，与经过第十一反射镜4-13，第十二反射镜4-14的检测激光进行合束。合束后的两束光进入雪崩光电二极管(APD)4-16。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过频率稳频后的抽运激光光频率稳定度。通过光学手段传递给检测光，克服了传统饱和吸收稳频无法实现非共振稳频的问题。
(2)本发明对光路进行多重折叠设计，技能保证稳频效果，又能节省SERF惯性测量装置宝贵空间，利于其高精度小型化设计。
(3)本发明光路器件布局合理，结构紧凑，安装调节方便，实验操作简单，可对SERF惯性测量装置激光双稳频系统技术进行实验研究，为高精度SERF惯性测量装置双激光光源稳频系统的研制提供了基础。
附图说明
图1为本发明用于SERF惯性测量装置激光双稳频系统光路图；
图中：1为抽运激光稳频光路结构，2为频率稳定度传递光路结构，3为检测激光稳频光路结构，4为拍频检测光路结构，1-1为抽运激光器，1-2为抽运激光光电隔离器(IOS)，1-3为第一半波片(λ/2)，1-4为第一偏振分束器(PBS)，1-5为第二半波片(λ/2)，1-6为第二偏振分束器(PBS)，1-7为第一分波片(GBS)，1-8为第一反射镜，1-9为铷原子气室，1-10为第一半透半射镜，1-11为第一光电探测器(PD)，1-12为第二反射镜，1-13为第三反射镜，2-1为第三半波片(λ/2)，2-2为第三偏振分束器(PBS)，2-3为第四半波片(λ/2)，2-4为法布里-珀罗腔(FP腔)，2-5为第四偏振分束器(PBS)，2-6为第二光电探测器(PD)，2-7为第三光电探测器(PD)，3-1为检测激光器，3-2为检测激光光电隔离器(IOS)，3-3为第五半波片(λ/2)，3-4为第五偏振分束器(PBS)，3-5为第四反射镜，3-6为第五反射镜，3-7为第六半波片(λ/2)，3-8为第六偏振分束器(PBS)，3-9为第六反射镜，4-1为拍频参考激光器，4-2为拍频参考激光器光电隔离器(IOS)，4-3为第七半波片(λ/2)，4-4为第七偏振分束器(PBS)，4-5为第七反射镜，4-6为第二分波片(GBS)，4-7为第八反射镜，4-8为钾原子气室，4-9为第二半透半反镜，4-10为第四光电探测器(PD)，4-11为第九反射镜，4-12为第十反射镜，4-13为第十一反射镜，4-14为第十二反射镜，4-15为第八偏振分束器(PBS)，4-16为雪崩光电二极管(APD)。4-17为频谱分析仪(SA)。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明的具体实施结构如图1所示，一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，包括抽运激光稳频光路结构1、频率稳定度传递光路结构2、检测激光稳频光路结构3、拍频检测光路结构4；其中抽运激光稳频光路结构1将抽运光分成三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置工作介质的抽运。第二束用于饱和吸收稳频。第三束用于频率稳定度的传递。检测激光稳频光路结构3将光检测光分为三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置输出信号的检测。第二束进入频率稳定度传递光路结构2进行稳频。第三束进入拍频检测光路结构4进行频率稳定度实时检测。拍频检测光路结构4将检测光与拍频参考激光进行拍频，实时检测检测激光的频率稳定性。
所述抽运激光稳频光路结构1采用三角形饱和吸收光路，经稳频后的抽运激光，进入频率稳定度传递光路结构2，用于法布里-珀罗腔(FP腔)2-4的腔长锁定。具体光路流程为：抽运激光器1-1输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(IOS)1-2，经第一半波片(λ/2)1-3和第一偏振分束器(PBS)1-4分为两束，一束用于饱和吸收稳频及频率稳定的传递，另一束用于原子惯性测量装置工作介质的抽运。饱和吸收稳频及频率稳定的传递的光束经第二半波片(λ/2)1-5和第二偏振分束器(PBS)1-6分为两束，一束经反射镜1-12和反射镜1-13反射进入频率稳定度传递光路结构2，该第三半波片(λ/2)2-1及第三偏振分束器(PBS)2-2进入法布里-珀罗腔(FP腔)2-4；另一束用于饱和吸收稳频，经第一分波片(GBS)1-7分为两束，经第一分波片(GBS)1-7反射的一束进入铷原子气室1-9，之后经第一半透半射镜1-10，透射光进入第一光电探测器(PD)1-11。经第一分波片(GBS)1-7透射的一束光经第一反射镜1-8和第一半透半射镜1-10反射进入铷原子气室1-9并与经第一分波片(GBS)1-7反射后进入气室的光束重合。搭建好上述光路，将抽运激光锁定到Rb87CO[2,3,1]交叉共振峰上。完成抽运激光频率锁定。
所述频率稳定度传递光路结构2中抽运激光经过第三半波片(λ/2)2-1与经过第四半波片(λ/2)2-3的检测激光通过第三偏振分束器(PBS)2-2进行合束。合束后的两束光进入法布里-珀罗腔(FP腔)2-4。两束光经过法布里-珀罗腔(FP腔)2-4后通过第四偏振分束器(PBS)2-5进行分束。抽运光进入第二光电探测器(PD)2-6，检测光进入第三光电探测器(PD)2-7。搭建好光路后，同时抽运激光完成频率锁定的情况下，扫描法布里-珀罗腔(FP腔)2-4的腔长，通过第二光电探测器(PD)2-6获得一系列腔模，并将法布里-珀罗腔(FP腔)2-4锁定到其中一个腔模上，完成法布里-珀罗腔(FP腔)2-4的腔长锁定。
所述检测激光稳频光路结构3采用FP腔稳频结构，与频率稳定度传递光路结构2共用第四半波片(λ/2)2-3、第三偏振分束器(PBS)2-2、法布里-珀罗腔(FP腔)2-4、第四偏振分束器(PBS)2-5和第三光电探测器(PD)2-7。具体光路流程为：检测激光器3-1经检测激光光电隔离器(IOS)3-2，第五半波片(λ/2)3-3及第五偏振分束器(PBS)3-4分为两束，其中一束进入SERF原子惯性测量装置用于输出信号检测；另一束光束经第四反射镜3-5、第五反射镜3-6，和第六半波片(λ/2)3-7进入第六偏振分束器(PBS)3-8后分为两束光，其中一束进入频率稳定度传递系统进行稳频，经第四半波片(λ/2)2-3、第三偏振分束器(PBS)2-2、法布里-珀罗腔(FP腔)2-4、第四偏振分束器(PBS)2-5后进入第三光电探测器(PD)2-7。另一束经第六反射镜3-9反射后进入拍频检测光路系统4。搭建好上述光路后，且抽运光完成锁频、法布里-珀罗腔(FP腔)2-4完成腔长锁定，扫描检测激光电流，通过第三光电探测器(PD)2-7获得一系列腔模，并将检测激光器3-1锁定到特定一个腔模上，使锁频后的检测激光器频率与锁频后的拍频参考激光器的频域小于1.5GHZ，完成检测激光器的锁频。
所述拍频检测光路结构4拍频参考激光器4-1与检测激光器3-1为同一波长外腔半导体激光器，且通过饱和吸收稳频，所用饱和吸收光路结构为三角形饱和吸收光路。具体光路流程为：拍频参考激光器4-1输出激光经拍频参考激光器光电隔离器(IOS)4-2、第七半波片(λ/2)4-3及第七偏振分束器(PBS)4-4分成两束光，其中一束用于饱和吸收稳频，经第七反射镜4-5，第二分波片(GBS)4-6分为两束，经第二分波片(GBS)4-6反射的一束进入钾原子气室4-8，之后经第二半透半反镜4-9，透射光进入第四光电探测器(PD)4-10。经第二分波片(GBS)4-6透射的一束光经第八反射镜4-7和第二半透半反镜4-9反射进入钾原子气室4-8并与经第二分波片(GBS)4-6反射后进入气室的光束重合。另一束经第九反射镜4-11和第十反射镜4-12反射后，通过第八偏振分束器(PBS)4-15，与经过第十一反射镜4-13，第十二反射镜4-14的检测激光进行合束。合束后的两束光进入雪崩光电二极管(APD)4-16，通过频谱分析仪(SA)分析雪崩光电二极管(APD)4-16的输出信号，获得检测激光频率的稳定性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，其特征在于：包括抽运激光稳频光路结构(1)、频率稳定度传递光路结构(2)、检测激光稳频光路结构(3)、拍频检测光路结构(4)；其中抽运激光稳频光路结构(1)将抽运光分成三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置工作介质的抽运；第二束用于饱和吸收稳频；第三束用于频率稳定度的传递；检测激光稳频光路结构(3)将光检测光分为三束，第一束用于SERF原子惯性测量装置输出信号的检测；第二束进入频率稳定度传递光路结构(2)进行稳频；第三束进入拍频检测光路结构(4)进行频率稳定度实时检测；拍频检测光路结构(4)将检测光与拍频参考激光进行拍频，实时检测检测激光的频率稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，其特征在于：所述抽运激光稳频光路结构(1)采用三角形饱和吸收光路，经稳频后的抽运激光，进入频率稳定度传递光路结构(2)，用于法布里-珀罗腔(FP腔)(2-4)的腔长锁定，具体光路流程为：抽运激光器(1-1)输出的激光，经过抽运激光光电隔离器(IOS)(1-2)，经第一半波片(λ/2)(1-3)和第一偏振分束器(PBS)(1-4)分为两束，一束用于饱和吸收稳频及频率稳定的传递，另一束用于原子惯性测量装置工作介质的抽运；饱和吸收稳频及频率稳定的传递的光束经第二半波片(λ/2)(1-5)和第二偏振分束器(PBS)(1-6)分为两束，一束经第二反射镜(1-12)和第三反射镜(1-13)反射进入频率稳定度传递光路结构(2)，该第三半波片(λ/2)(2-1)及第三偏振分束器(PBS)(2-2)进入法布里-珀罗腔(FP腔)(2-4)；另一束用于饱和吸收稳频，经第一分波片(GBS)(1-7)分为两束，经第一分波片(GBS)(1-7)反射的一束进入铷原子气室(1-9)，之后经第一半透半射镜(1-10)，透射光进入第一光电探测器(PD)(1-11)，经第一分波片(GBS)(1-7)透射的一束光经第一反射镜(1-8)和第一半透半射镜(1-10)反射进入铷原子气室(1-9)并与经第一分波片(GBS)(1-7)反射后进入气室的光束重合。
3.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，其特征在于：所述频率稳定度传递光路结构(2)中抽运激光经过第三半波片(λ/2)(2-1)与经过第四半波片(λ/2)(2-3)的检测激光通过第三偏振分束器(PBS)(2-2)进行合束，合束后的两束光进入FP腔(2-4)，两束光经过法布里-珀罗腔(FP腔)(2-4)后通过第四偏振分束器(PBS)(2-5)进行分束，抽运光进入第二光电探测器(PD)(2-6)，检测光进入第三光电探测器(PD)(2-7)。
4.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，其特征在于：所述检测激光稳频光路系统(3)采用FP腔稳频结构，与频率稳定度传递光路结构(2)共用第四半波片(λ/2)(2-3)、第三偏振分束器(PBS)(2-2)、法布里-珀罗腔(FP腔)(2-4)、第四偏振分束器(PBS)(2-5)和第三光电探测器(PD)(2-7)；具体光路流程为：检测激光器(3-1)经检测激光光电隔离器(IOS)(3-2)，第五半波片(λ/2)(3-3)及第五偏振分束器(PBS)(3-4)分为两束，其中一束进入SERF原子惯性测量装置用于输出信号检测；另一束光束经第四反射镜(3-5)、第五反射镜(3-6)，和第六半波片(λ/2)(3-7)进入第六偏振分束器(PBS)(3-8)后分为两束光，其中一束进入频率稳定度传递系统进行稳频，经第四半波片(λ/2)(2-3)、第三偏振分束器(PBS)(2-2)、法布里-珀罗腔(FP腔)(2-4)、第四偏振分束器(PBS)(2-5)后进入第三光电探测器(PD)(2-7)；另一束经第六反射镜(3-9)反射后进入拍频检测光路结构(4)。
5.根据权利要求1所述的一种用于SERF原子惯性测量装置激光双稳频光路系统，其特征在于：所述拍频检测光路结构(4)拍频参考激光器(4-1)与检测激光器(3-1)为同一波长外腔半导体激光器，且通过饱和吸收稳频，所用饱和吸收光路结构为三角形饱和吸收光路；具体光路流程为：拍频参考激光器(4-1)输出激光经拍频参考激光器光电隔离器(IOS)(4-2)、第七半波片(λ/2)(4-3)及第七偏振分束器(PBS)(4-4)分成两束光，其中一束用于饱和吸收稳频，经第七反射镜(4-5)，第二分波片(GBS)(4-6)分为两束，经第二分波片(GBS)(4-6)反射的一束进入钾原子气室(4-8)，之后经第二半透半反镜(4-9)，透射光进入第四光电探测器(PD)(4-10)；经第二分波片(GBS)(4-6)透射的一束光经第八反射镜(4-7)和第二半透半反镜(4-9)反射进入钾原子气室(4-8)并与经第二分波片(GBS)(4-6)反射后进入气室的光束重合；另一束经第九反射镜(4-11)和第十反射镜(4-12)反射后，通过第八偏振分束器(PBS)(4-15)，与经过第十一反射镜(4-13)，第十二反射镜(4-14)的检测激光进行合束，合束后的两束光进入雪崩光电二极管(APD)(4-16)。
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