CN110988504A - 里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法，利用电光液晶延迟器来实现里德堡原子微波电场强度计耦合光和探测光光强稳定控制，进而提高里德堡原子微波电场强度计的测量精度，该方法不仅有利于提高里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定性，而且有利于激光系统的集成化，且原理清晰、结构简单、易于实现与应用。

Description

里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法
技术领域
本发明涉及激光强度控制领域。更具体地，涉及一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法。
背景技术
里德堡原子微波电场强度计是一种新型的微波电场强度计，其利用里德堡原子的EIT-AT分裂效应，将微波电场强度测量溯源到SI单位中的频率，使得对微波电场强度测量不仅具有了高准确度，而且实现了自校准。
里德堡原子微波电场强度计基于里德堡原子的EIT-AT效应，该效应对激光强度极其敏感，激光强度的稳定对测量结果的精度起至关重要的作用。通常里德堡原子微波电场强度计采用输出激光强度波动较大的半导体激光器，且声光频移器等光学元器件会引起激光强度的波动。为保证里德堡原子微波电场强度计对微波电场强度高精度测量，需要对里德堡原子微波电场强度计的激光强度进行稳定控制。
目前对激光强度稳定控制的方法有以下两种：一是通过直接反馈控制激光器电流端口实现对激光器输出激光强度的稳定控制，其典型激光强度稳定度在10-2量级，且对激光光强的稳定控制会引起激光频率的变化；二是利用外强度调制方法，通过反馈控制外部光学器件(声光调制器等)实现激光强度的稳定控制，其典型激光强度稳定度在10-3量级，该方法不影响激光频率，但现有的传统方法在稳定度和集成度以及对激光强度稳定速度方面，难以满足高精度里德堡原子电场强度计对激光强度稳定的需求。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置。
本发明的另一个目的在于提供一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
第一方面，本发明提供一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置，包括用于发射线偏振激光的探测激光发射模块、用于将所述探测激光发射模块发射的激光分成第一参考光和第一信号检测光的第一分光模块、用于将所述第一信号检测光转化为第一电信号的第一光电探测器、用于接收所述第一电信号并通过第一电信号对所述探测激光发射模块进行激光强度控制的第一控制模块、用于对所述第一参考光进行反射的第一反射镜；
用于发射线偏振激光的耦合激光发射模块、用于将所述耦合激光发射模块发射的激光分成第二参考光和第二信号检测光的第二分光模块、用于将所述第二信号检测光转化为第二电信号的第二光电探测器、用于接收所述第二电信号并通过第二电信号对所述探测激光发射模块进行激光强度控制的第二控制模块、用于对所述第二参考光进行反射的第一二向色镜；
用于接收经过反射的第一参考光和第二参考光的碱原子气室以及用于在所述碱原子气室产生微波电场的微波源模块。
优选地，所述探测激光发射模块包括探测光激光发器、沿所述探测光激光器发射的激光光路依次设置的第一隔离器、第一电光液晶延迟器以及第一检偏器；
所述耦合激光发射模块包括，耦合光激光发器、沿所述耦合光激光器发射的激光光路依次设置的第二隔离器、第二电光液晶延迟器以及第二检偏器。
优选地，所述第一分光模块包括沿所述探测光激光器发射的激光光路依次设置的第一二分之一波片和第一格兰棱镜；
所述第二分光模块包括沿所述耦合光激光器发射的激光光路依次设置的第二二分之一波片和第二格兰棱镜。
优选地，所述第一光电探测器、所述第一控制模块和所述第一电光液晶延迟器依次电连接，所述第一控制模块通过控制加载在所述第一电光液晶延迟器上的电压实现对所述探测激光发射模块进行激光强度控制；
所述第二光电探测器、所述第二控制模块和所述第二电光液晶延迟器依次电连接，所述第二控制模块通过控制加载在所述第二电光液晶延迟器上的电压实现对所述耦合激光发射模块进行激光强度控制。
优选地，所述探测激光发射模块还包括第三分光模块、第二反射镜以及饱和吸收光谱模块；
其中，所述第三分光模块沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在第一隔离器与第一电光液晶延迟器之间，用于将所述探测光激光器发射的激光分为主路光与从路光，所述主路光进入所述第一电光液晶延迟器；所述从路光经过第二反射镜进入所述饱和吸收光谱模块；所述饱和吸收光谱模块通过接收的所述从路光并对所述探测光激光器进行控制，使得所述探测光激光器发射的激光频率锁定在原子跃迁线上。
优选地，所述探测激光发射模块还包括声光频移器，所述声光频移器沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在第三分光模块与第一电光液晶延迟器之间，用于控制所述主路光的激光频率。
优选地，所述第三分光模块包括第三二分之一波片和第三格兰棱镜，所述第三二分之一波片和与第三格兰棱镜沿所述探测光激光器发射的激光光路依次配置。
优选地，所述探测激光发射模块还包括第四二分之一波片，所述第四二分之一波片配置在所述探测光激光器与第一隔离器之间，用于匹配所述第一隔离器的偏振；
所述耦合激光发射模块还包括第五二分之一波片，所述第五二分之一波片配置在所述耦合光激光器与第二隔离器之间，用于匹配所述第二隔离器的偏振。
优选地，所述探测激光发射模块还包括挡光板，所述挡光板沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在所述声光频移器与第一电光液晶延迟器之间，用于隔离所述声光频移器衍射产生的杂散光进入所述第一电光液晶延迟器。
第二方面，本发明提供一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制方法，包括以下步骤：
S1、依次组装里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置，微波源模块发射微波电场，探测光激光器和耦合光激光器分别发射探测光和耦合光；
S2、移除第一电光液晶延迟器和第二电光液晶延迟器，旋转第一检偏器使得通过第一检偏器的探测光光强为最小状态，旋转第二检偏器使得通过第二检偏器的耦合光光强为最小状态；
S3、重新将第一电光液晶延迟器和第二电光液晶延迟器安装在光路中，旋转第一电光液晶延迟器使得通过第一检偏器的探测光光强为最大状态，旋转第二电光延迟器使得通过第二检偏器的耦合光光强为最大状态；
S4、通过所述第一分光模块，将探测光分为第一参考光和第一信号检测光，所述第一信号检测光进入所述第一光电探测器，并转换为第一电信号；通过所述第二分光模块，将耦合光分为第二参考光和第二信号检测光，所述第二信号检测光进入所述第二光电探测器，并转换为第二电信号；
S5、所述第一电信号进入第一控制模块，分析所述第一电信号的幅值变化，通过所述第一控制模块控制加载在所述第一电光液晶延迟器两端的电压，改变第一电光液晶延迟器出射的探测光光强，使得该探测光光强处于稳定状态；所述第二电信号进入第二控制模块，分析所述第二电信号的幅值变化，通过所述第二控制模块控制加载在所述第二电光液晶延迟器两端的电压，改变第二电光液晶延迟器出射的耦合光光强，使得该耦合光光强处于稳定状态；
S6、调节第一反射镜与第一二向色镜的位置，将经过控制稳定后的第一参考光与第二参考光反射到所述碱原子气室中。
本发明的有益效果如下：
本发明的目的在于提供一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置及方法，通过控制电光液晶延迟器加载电压，实现对激光强度的稳定控制，该方法可以实现激光强度10-4量级的稳定度。其具有原理清晰、结构简单、易于集成化，可以实现里德堡原子电场强度计激光强度的稳定控制，极大提高了该电场强度计的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明激光强度稳定控制装置结构示意图。
附图标记，1、探测光激光器；2、第四二分之一波片；3、第一隔离器；4、第三二分之一波片；5、第三格兰棱镜；6、第二反射镜；7、饱和吸收光谱模块；8、声光频移器；9、档光板；10、第一电光液晶延迟器；11、第一控制模块；12、第一检偏器；13、第一二分之一波片；14、第一格兰棱镜；15、第一光电探测器；16、第一反射镜；17、碱原子气室；18、微波源模块；19、第一二向色镜；20、第二光电探测器；21、第二格兰棱镜；22、第二二分之一波片；23、第二检偏器；24、第二控制模块；25、第二电光液晶延迟器；26、第二隔离器；27、第五二分之一波片；28、耦合光激光器。
具体实施方式
为使本发明的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明术语【本发明实施例不对步骤a至e的执行顺序进行限制，例如，可依次执行步骤c、步骤a】
【本发明所有数值指定(例如温度、时间、浓度及重量等，包括其中每一者的范围)通常可是适当以0.1或1.0的增量改变(+)或(-)的近似值。所有数值指定均可理解为前面有术语“约”。】
实施例
如图1所示的，一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置，探测光激光器1发射的线偏振探测光经过第四二分之一波片2和第一隔离器3，确保探测光激光器1工作模式不受后续光路反馈影响；探测光经过第三二分之一波片4和第三格兰棱镜5分成两束光，一束为主路光，一束为从路光，从路光通过第二反射镜6反射后，利用饱和吸收光谱模块7将探测光频率锁定在原子跃迁线上，实现探测光激光频率的长期稳定，主路光经过声光频移器8，实现探测光激光频率的精确控制，挡光板用于隔离声光频移器8衍射产生的杂散光进入后续光学元件；
在不安装第一电光液晶延迟器10的情况下，使经过声光频移器8的主路光直接通过第一检偏器12，通过旋转第一检偏器12使得主路光通过第一检偏器12时的光强最小，
将第一电光液晶延迟器10安装在光路中，使经过声光频移器8的主路光通过第一电光液晶延迟器10后进入第一检偏器12，旋转第一电光液晶延迟器10，使得此时通过第一检偏器12的主路光光强调至最大，
经过第一检偏器12的主路光依次通过第一二分之一波片13和第一格兰棱镜14分成两束，一束为第一参考光，另一束为第一信号检测光，第一信号检测光进入第一光电探测器15，第一光电探测器15将光信号装换为电信号，再将电信号输入第一控制模块11，第一控制模块11控制第一电光液晶延迟器10的电压幅度，实现探测光激光强度的PID反馈控制，第一参考光通过第一反射镜16进入碱原子气室17，与碱原子气室17内的德堡原子发生反应；
耦合光激光器28发射的线偏振耦合光经过第五二分之一波片27和第二隔离器26，确保耦合光激光器28工作模式不受后续光路反馈影响；
在不安装第二电光液晶延迟器25的情况下，使耦合光直接通过第二检偏器23，通过旋转第二检偏器23使得主路光通过第二检偏器23时的光强最小，
将第二电光液晶延迟器25安装在光路中，使耦合光通过第二电光液晶延迟器25后进入第二检偏器23，旋转第二电光液晶延迟器25，使得此时通过第二检偏器23的主路光光强调至最大，
经过第二检偏器23的主路光依次通过第二二分之一波片22和第二格兰棱镜21分成两束，一束为第二参考光，另一束为第二信号检测光，第二信号检测光进入第二光电探测器20，第二光电探测器20将光信号装换为电信号，再将电信号输入第二控制模块24，第二控制模块24控制第二电光液晶延迟器25的电压幅度，实现耦合光激光强度的PID反馈控制，第二参考光通过第一二向色镜19进入碱原子气室17，与碱原子气室17内的德堡原子发生反应；
微波源模块18用于在所述碱原子气室17产生微波电场；
经过碱原子气室17的第一参考光可通过第一二向色镜19透射，此时，获取到经过透射后的第一参考光便可以知晓碱原子气室的场强强度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置，其特征在于，包括用于发射线偏振激光的探测激光发射模块、用于将所述探测激光发射模块发射的激光分成第一参考光和第一信号检测光的第一分光模块、用于将所述第一信号检测光转化为第一电信号的第一光电探测器、用于接收所述第一电信号并通过第一电信号对所述探测激光发射模块进行激光强度控制的第一控制模块、用于对所述第一参考光进行反射的第一反射镜；
用于发射线偏振激光的耦合激光发射模块、用于将所述耦合激光发射模块发射的激光分成第二参考光和第二信号检测光的第二分光模块、用于将所述第二信号检测光转化为第二电信号的第二光电探测器、用于接收所述第二电信号并通过第二电信号对所述探测激光发射模块进行激光强度控制的第二控制模块、用于对所述第二参考光进行反射的第一二向色镜；
用于接收经过反射的第一参考光和第二参考光的碱原子气室以及用于在所述碱原子气室产生微波电场的微波源模块。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述探测激光发射模块包括探测光激光发器、沿所述探测光激光器发射的激光光路依次设置的第一隔离器、第一电光液晶延迟器以及第一检偏器；
所述耦合激光发射模块包括，耦合光激光发器、沿所述耦合光激光器发射的激光光路依次设置的第二隔离器、第二电光液晶延迟器以及第二检偏器。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述第一分光模块包括沿所述探测光激光器发射的激光光路依次设置的第一二分之一波片和第一格兰棱镜；
所述第二分光模块包括沿所述耦合光激光器发射的激光光路依次设置的第二二分之一波片和第二格兰棱镜。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第一控制模块和所述第一电光液晶延迟器依次电连接，所述第一控制模块通过控制加载在所述第一电光液晶延迟器上的电压实现对所述探测激光发射模块进行激光强度控制；
所述第二光电探测器、所述第二控制模块和所述第二电光液晶延迟器依次电连接，所述第二控制模块通过控制加载在所述第二电光液晶延迟器上的电压实现对所述耦合激光发射模块进行激光强度控制。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述探测激光发射模块还包括第三分光模块、第二反射镜以及饱和吸收光谱模块；
其中，所述第三分光模块沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在第一隔离器与第一电光液晶延迟器之间，用于将所述探测光激光器发射的激光分为主路光与从路光，所述主路光进入所述第一电光液晶延迟器；所述从路光经过第二反射镜进入所述饱和吸收光谱模块；所述饱和吸收光谱模块通过接收的所述从路光并对所述探测光激光器进行控制，使得所述探测光激光器发射的激光频率锁定在原子跃迁线上。
6.根据权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述探测激光发射模块还包括声光频移器，所述声光频移器沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在第三分光模块与第一电光液晶延迟器之间，用于控制所述主路光的激光频率。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述第三分光模块包括第三二分之一波片和第三格兰棱镜，所述第三二分之一波片和与第三格兰棱镜沿所述探测光激光器发射的激光光路依次配置。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述探测激光发射模块还包括第四二分之一波片，所述第四二分之一波片配置在所述探测光激光器与第一隔离器之间，用于匹配所述第一隔离器的偏振；
所述耦合激光发射模块还包括第五二分之一波片，所述第五二分之一波片配置在所述耦合光激光器与第二隔离器之间，用于匹配所述第二隔离器的偏振。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述探测激光发射模块还包括挡光板，所述挡光板沿所述探测光激光器发射的激光光路配置在所述声光频移器与第一电光液晶延迟器之间，用于隔离所述声光频移器衍射产生的杂散光进入所述第一电光液晶延迟器。
10.一种利用如权利要求9中所述的控制装置的里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、依次组装里德堡原子微波电场强度计激光强度稳定控制装置，微波源模块发射微波电场，探测光激光器和耦合光激光器分别发射探测光和耦合光；
S2、移除第一电光液晶延迟器和第二电光液晶延迟器，旋转第一检偏器使得通过第一检偏器的探测光光强为最小状态，旋转第二检偏器使得通过第二检偏器的耦合光光强为最小状态；
S3、重新将第一电光液晶延迟器和第二电光液晶延迟器安装在光路中，旋转第一电光液晶延迟器使得通过第一检偏器的探测光光强为最大状态，旋转第二电光延迟器使得通过第二检偏器的耦合光光强为最大状态；S4、通过所述第一分光模块，将探测光分为第一参考光和第一信号检测光，所述第一信号检测光进入所述第一光电探测器，并转换为第一电信号；通过所述第二分光模块，将耦合光分为第二参考光和第二信号检测光，所述第二信号检测光进入所述第二光电探测器，并转换为第二电信号；
S5、所述第一电信号进入第一控制模块，分析所述第一电信号的幅值变化，通过所述第一控制模块控制加载在所述第一电光液晶延迟器两端的电压，改变第一电光液晶延迟器出射的探测光光强，使得该探测光光强处于稳定状态；所述第二电信号进入第二控制模块，分析所述第二电信号的幅值变化，通过所述第二控制模块控制加载在所述第二电光液晶延迟器两端的电压，改变第二电光液晶延迟器出射的耦合光光强，使得该耦合光光强处于稳定状态；
S6、调节第一反射镜与第一二向色镜的位置，将经过控制稳定后的第一参考光与第二参考光反射到所述碱原子气室中。
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