CN111697422A - 一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统，所述方法包括：通过测控激光器和参考激光器分别输出测控光和参考光；测控光经过相位调制器输出调制多频光，经过分束器分成两路，一路输入光合束器；输入光合束器的光与参考光进行耦合输出拍频光，依次经探测器、放大电路和功率分配器输出两路射频信号，两路射频信号分别依次通过带通滤波器和检波器输出两路射频信号的功率，经过信号处理后与预设的拉曼光功率比进行比对，通过PID对相位调制器的调制深度进行反馈控制；从相位调制器输出的光经分束器输出另一路功率比稳定的拉曼光。本发明方法和系统可以减小斯塔克效应，降低拉曼光对原子干涉测量精度和长期稳定性的影响。

Description

一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及激光调制技术领域，特别地，涉及一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统。
背景技术
在基于双光子受激拉曼跃迁的冷原子干涉系统中，低噪声、高相干的拉曼光是操控原子发生物质波干涉的关键激光技术。这里所采用的拉曼光是指激光频率离原子受激共振跃迁具有较大失谐量，且频差固定为GHz量级、偏振方向相同的一对相干光。拉曼光承担着对冷原子团进行分束、反转和合束干涉的操作任务，由于交流斯塔克效应，拉曼光的存在会使得原子基态能级发生移动，因此，拉曼光的绝对频率抖动和相干噪声、总光强波动及光功率比的变化都会引发原子能级的频移抖动，进而影响原子干涉测量的灵敏度和精度。
目前，拉曼光的实现方法可主要分为光学频率合成法和相位调制法。光学频率合成法又有两种，一种是光学锁相环法，通过主从激光器的拍频锁相，然后将主从激光按照强度比例进行合成；另一种是将稳频后的激光通过光学移频器进行多次移频后，再与原光束进行合成。光学频率合成法的优点是拉曼光的频率和光强控制灵活，合成机制简单，其缺点是系统的器件复杂，效率低且成本较高。相位调制法利用激光通过电光相位调制器产生等频率间隔、同偏振和光强可调的零级和边带混合的相干光，从而实现拉曼光的高相干和低相噪要求。相位调制法的优点是系统结构简单、易于集成，同时所产生的拉曼光具有偏振一致、光学相干和低噪声的特点，是目前最具工程化实用价值的拉曼光产生方法。但是，由于相位调制器件所产生的基频和边带功率受驱动信号的调制深度控制，不管是目前的双边带调制还是正在研究的单边带调制方法，相位调制法所产生拉曼光的功率分布、零级光和一级光的功率比需要进行稳定控制，否则相位调制器输出拉曼光的抖动和漂移将影响原子干涉仪测量精度和长期稳定度。在利用相位调制法产生一对拉曼光的机制中，拉曼光的绝对频率抖动和相干噪声、总光强波动及光功率比的变化都会引发原子能级的频移抖动，因此必须对输出拉曼光功率和功率比同时进行控制。
要实现相位调制型拉曼光功率的稳定主要难度在功率比的快速有效控制。目前，对于拉曼光功率比的设置目前较常见的做法是扫描F-P腔，通过改变F-P腔的腔长逐次选出两个拉曼光，并用同一探测器进行分时探测，这种方法虽然能分别实现两个拉曼频率分量功率的准确探测，但并不能实现功率比的实时锁定，F-P腔的扫描时间一般为秒级，这将严重制约功率比的稳定带宽。此外，还有通过精密光谱法来实现功率比的设置的，由于铷原子拉曼光间的频率间隔只有6.834GHz，这种方法的实现前提是使用高精度光谱仪，但常见的商用光谱仪不仅分辨力达不到这么高，而且系统一般也比较庞大和复杂，根本不适合进行在线进行拉曼光功率比的实时稳定控制。因此，提出实时快速、低成本、实用化、稳定有效的拉曼光功率比稳定新方法，对铷原子量子干涉精密测量意义显著。
发明内容
本发明目的在于提供一种相位调制型拉曼光功率控制方法，用于克服现有相位调制法产生拉曼光的技术缺陷，减小斯塔克效应，降低其对原子干涉测量精度和长期稳定性的影响。
为实现上述目的，本发明提供了一种相位调制型拉曼光功率控制方法，包括：
通过测控激光器和参考激光器分别输出测控光和参考光；
所述测控光经过相位调制器输出调制多频光，所述调制多频光经过分束器分成两路，一路输入光合束器；
输入光合束器的光与经过偏振控制器后的参考光进行耦合输出拍频光，输出的拍频光经探测器输出多个与光拍频对应的电信号，所述电信号经放大电路输出射频信号，所述射频信号经过功率分配器将信号分为两路射频信号，两路射频信号同时通过两个中心频率不同的带通滤波器分别滤出拍频电信号fa和fb，滤波后的拍频电信号fa和fb再同时经过两个相同的射频检波器分别输出两路射频信号的功率，将两路射频信号的功率进行信号处理，得到两路射频信号的功率比，将所述功率比与预设的拉曼光功率比进行比对，通过PID控制器对相位调制器的调制深度进行反馈控制；
从相位调制器输出的调制多频光经过分束器输出另一路功率比稳定的拉曼光；
所述拉曼光包括0级光和+1级边带光，所述参考光的频率介于0级光的频率和+1级边带光的频率之间。
进一步的，所述拉曼光功率控制方法还包括对拉曼光总功率的控制；
对拉曼光总功率的控制包括：所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器输出移频后的调制光，所述移频后的调制光依次经过准直器、偏振控制器输出偏振光，所述偏振光经过分光器件分成两路，一路经过探测器输出电压信号，所述电压信号经过信号处理后，得到拉曼光总功率，将拉曼光总功率与预设的光功率进行比对，通过PID控制器对声光调制器的调制幅度进行反馈控制，从分光器件输出另一路总功率稳定的拉曼光。
进一步的，通过PID控制器对相位调制器的调制深度进行反馈控制，包括通过PID控制器控制模拟衰减器对微波驱动信号输出功率进行调节，控制相位调制器的调制深度，进而控制拉曼光的功率比。
进一步的，所述参考激光器通过饱和吸收稳频模块将单频激光锁定在铷原子饱和吸收谱线的D2谱线上，所述测控激光器通过光学锁相模块将测控光的频率跟踪锁定在参考激光器上。
进一步的，所述参考激光器和测控激光器均采用波长为780nm的激光器时，所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器之前通过功率放大器进行功率放大。
进一步的，所述参考激光器和测控激光器均采用波长为1560nm的激光器时，所述参考激光器和测控激光器输出的测控光和参考光均需要通过光纤放大器和倍频晶体进行光学倍频后，将波长转化为780nm。
作为同一个发明构思，本发明还提供了一种相位调制型拉曼光功率控制系统，包括测控激光器、参考激光器、相位调制器、偏振控制器、分束器、合束器、探测器、功率分配器、带通滤波器、射频检波器、第一信号采集与处理模块以及第一PID控制模块；
所述参考激光器输出参考光，参考光通过偏振控制器输出偏振光；
所述测控激光器输出测控光，测控光通过相位调制器输出调制光；
所述偏振光与所述调制光通过合束器输出拍频光，拍频光通过探测器以及放大电路输出射频信号，射频信号通过功率分配器将信号分为两个射频信号，两个射频信号分别通过两个中心频率不同的带通滤波器滤出两个不同的拍频电信号，滤波后的两个拍频电信号分别通过射频检波器输出射频信号的功率，所述射频信号的功率通过第一信号采集与处理模块处理，处理后的信号通过第一PID控制模块输入至相位调制器，所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出功率比稳定的拉曼光。
进一步的，所述的相位调制型拉曼光功率控制系统还包括声光调制器、准直器、分光器件、第二信号采集与处理模块以及第二PID控制模块；
所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出的一部分光通过声光调制器输出声光调制光，所述声光调制光依次通过准直器和偏振控制器输出偏振光，所述偏振光通过分光器件进行分束，一部分光依次经过探测器、第二信号处理信号采集与处理模块和第二PID控制模块输入至声光调制器，另一部分光作为拉曼光输出。
进一步的，所述参考激光器上设有稳频模块，所述测控激光器上设有锁相模块。
本发明还提供了一种铷元素冷原子干涉仪，采用上述的相位调制型拉曼光功率控制方法调制的拉曼光；
或者，采用上述的相位调制型拉曼光功率控制系统输出的拉曼光。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种相位调制型拉曼光功率控制方法，通过自由空间分光探测来实现对光强的快速稳定控制，同时，利用拉曼光和稳频参考光的拍频探测及信号处理来反馈调整调制深度，实现对拉曼光功率比的高效、低成本、精细化稳定控制，锁定带宽可达100kHz，大大减小了斯塔克效应，特别是光强波动和拉曼光功率比波动等引发的原子能级抖动，降低其对原子干涉测量精度和长期稳定性的影响。本发明提供的一种相位调制型拉曼光功率控制方法及其系统对高精度、高稳定度和长时间原子干涉测量具有重要意义。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是拉曼光功率比外差探测原理图；
图2是参考光和拉曼光在铷原子饱和吸收光谱的位置图；
图3是本发明提供的相位调制型拉曼光功率控制系统图；
图4是本发明优选实施例780nm波段的激光系统在光纤传输光路下的拉曼光功率控制系统图；
图5是本发明优选实施例780nm波段的激光系统在自由空间光路下的拉曼光功率控制系统图；
图6是本发明优选实施例1560nm波段的激光系统在光纤传输光路下的拉曼光功率控制系统图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
拉曼光功率比的控制原理如下：
在利用相位调制法所产生的0级光和+1级边带光分别作为一对拉曼光时，此时拉曼1(即0级光)对应的光频为f0，拉曼2(即+1级光)对应的光频为f1，且相位调制器的微波驱动频率fE-D为边带光的间隔，大小为fE-D＝f1-f0。由于拉曼1和拉曼2激光完全共光路，且偏振一致，因此在空间上和光学频域上很难将其分开。但通过在拉曼光频率的中间位置，引入形成中间拍频的“起拍光”，使其频率fR介于拉曼1和拉曼2之间，满足关系f0<fR<f1，且与其拉曼1和拉曼2的频率间隔分别为fa和fb，如下图1所示。
当将相位调制后的拉曼光和起拍光进行合束后，此时合成光的总电场E可表示为
Figure BDA0002555101690000051
上式中，ER、fR和θR分别为参考光的电场强度、频率和相位，En、fn和θn分别为电光相位调制器所产生的载波和各级边带光的电场强度、频率和相位。此时拉曼光的功率比可表示为q＝(E0/E1)2，合光强I＝E·E*，可表示为
Figure BDA0002555101690000052
当使用探测器进行光强探测时，因为探测器响应时间和带宽的限制，只能探测到一定频率大小的光学拍频信号，选定探测器带宽接近fE-D，合光强的交流成分的表达式进行简化并通过积化和差得到
I0＝ER·E0cos(2πfat+θa)+ER·E1cos(2πfbt+θb)+IE-Dcos(2πfE-Dt+θE-D)
上式中fa、fb和fE-D分别为高速探测器可探测到的三个拍频大小，θa、θb和θE-D分别为个拍频信号的相位，I0为合光强中目标交流成分之和，IE-D为频率为fE-D的拍频信号幅度。考虑光电转化效率ρ，三个外差拍频信号可表示为
Figure BDA0002555101690000053
上式中B0、B1和B2分别代表拍频fa、fb和fE-D的电信号大小。此时通过微波检波器进行拍频信号的功率测量，设检波器微波功率转化因子为ε，假设此时所探测到的拍频信号功率为P0、P1和P2，则根据P＝B·B*，两个拍频信号B0和B1的功率P0和P1满足关系
Figure BDA0002555101690000061
考虑到拉曼光的频差一般为几个GHz，远远小于探测器的响应波长带宽，且拍频大小也相近，那么可近似认为ρ0＝ρ1，标定两个检波器的转化效率ε后，拉曼光功率比即为fA和fb两个拍频信号的微波功率比，即
Figure BDA0002555101690000062
本发明方法适用于利用铷原子作为操控原子实现冷原子干涉仪，而干涉仪系统所需要的稳频激光通常是将参考激光锁频至85Rb饱和吸收谱线的D2谱线F'3->F'4交叉峰上。由于锁定后的参考激光频率位置介于相位调制所产生的一对拉曼光中间，且绝对频率非常稳定，能完美地满足探测拉曼光功率比对起拍光的要求，较好地在测量系统内实现功率比控制功能，而不需要额外加激增光器作为起拍光进行拍频探测。如下图2所示，使用本发明方法得到两个拍频fa和fb大小分别为(δ+1.066)GHz和[6.834-(δ+1.066)]GHz，δ为大小可调节的拉曼红失谐量，因此可通过选择合适的δ使拍频fa和fb大小接近。这种复用参考光的巧妙设计既实现了拉曼光功率比的测控，同时也简化了方案，降低了实现成本，为冷原子干涉仪的相位调制型拉曼光的精确控制提供了实用化、创新性的巧妙解决方案。
本发明提供了一种相位调制型拉曼光功率控制方法，包括：
通过测控激光器和参考激光器分别输出测控光和参考光；
所述测控光经过相位调制器输出调制多频光，所述调制多频光经过分束器分成两路，一路输入光合束器；
输入光合束器的光与经过偏振控制器后的参考光进行耦合输出拍频光，输出的拍频光经探测器输出多个与光拍频对应的电信号，所述电信号经放大电路输出射频信号，所述射频信号经过功率分配器将信号分为两路射频信号，两路射频信号同时通过两个中心频率不同的带通滤波器分别滤出拍频电信号fa和fb，滤波后的拍频电信号fa和fb再同时经过两个相同的射频检波器分别输出两路射频信号的功率，将两路射频信号的功率进行信号处理，得到两路射频信号的功率比，将所述功率比与预设的拉曼光功率比进行比对，通过PID控制器对相位调制器的调制深度进行反馈控制，
从相位调制器输出的调制多频光经过分束器输出另一路功率比稳定的拉曼光；
所述拉曼光包括0级光和+1级边带光，所述参考光的频率介于0级光的频率和+1级边带光的频率之间。
所述参考激光器和测控激光器是产生相位调制型拉曼光的光源。具体的，所述参考激光器和测控激光器是一对频率锁定的窄线宽单频激光器。所述参考激光器通过饱和吸收稳频模块将单频激光锁定在铷原子饱和吸收谱线的D2谱线上，锁定后的激光频率稳定度能达到10-11水平。所述测控激光器通过光学锁相模块将其频率跟踪锁定在参考激光器上，由此保证测控激光器的绝对频率的准确位置和高稳定度。
所述拉曼光功率控制还包括对拉曼光总功率的控制；
对拉曼光总功率的控制包括：所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器输出移频后的调制光，所述移频后的调制光依次经过准直器、偏振控制器输出偏振光，所述偏振光经过分光器件分成两路，一路经过探测器输出电压信号，所述电压信号经过信号处理后，得到拉曼光总功率，将拉曼光总功率与预设的光功率进行比对，通过PID控制器对声光调制器的调制幅度进行反馈控制，从分光器件输出另一路总功率稳定的拉曼光。
所述参考激光器和测控激器光均采用波长为780nm的激光器时，所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器之前通过功率放大器进行功率放大。
所述参考激光器和测控激光器均采用波长为1560nm的激光器时，所述参考激光器和测控激光器输出的测控光和参考光均需要通过光纤放大器和倍频晶体进行光学倍频后，将波长转化为780nm。
如图3所示，本发明还提供了所述相位调制型拉曼光功率的控制系统，包括测控激光器、参考激光器、相位调制器、偏振控制器、分束器、合束器、探测器、功率分配器、带通滤波器、射频检波器、第一信号采集与处理模块以及第一PID控制模块；
所述参考激光器输出参考光，参考光通过偏振控制器输出偏振光；
所述测控激光器输出测控光，测控光通过相位调制器输出调制光；
所述偏振光与所述调制光通过合束器输出拍频光，拍频光通过探测器以及放大电路输出射频信号，射频信号通过功率分配器将信号分为两个射频信号，两个射频信号分别通过两个中心频率不同的带通滤波器滤出两个不同的拍频电信号，滤波后的两个拍频电信号分别通过射频检波器输出射频信号的功率，所述射频信号的功率通过第一信号采集与处理模块处理，处理后的信号通过第一PID控制模块输入至相位调制器，所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出功率比稳定的拉曼光。
所述的相位调制型拉曼光功率控制系统还包括声光调制器、准直器、分光器件、第二信号采集与处理模块以及第二PID控制模块；
所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出的一部分光通过声光调制器输出声光调制光，所述声光调制光依次通过准直器和偏振控制器输出偏振光，所述偏振光通过分光器件进行分束，一部分光依次经过探测器、第二信号处理信号采集与处理模块和第二PID控制模块输入至声光调制器，另一部分光作为拉曼光输出。
具体的，所述参考激光器上设有稳频模块，所述测控激光器上设有锁相模块。
所述控制系统对拉曼光功率比的控制过程具体为：测控激光器的输出光经过相位调制器(通常采用电光调制器EOM)后，在原基频光的基础上将产生等间隔的双边带对称光谱成分，干涉仪系统所需要的拉曼光的谱线就在双边带光谱的0级和+1级光，且光谱成分的大小由调制深度控制。相位调制器产生的调制多频光经分束器分成两路，一路用于输出和功率控制，一路输入光合束器，在合束器中与经偏振控制后的参考光进行耦合，所产生的光拍频信号经高速探测器进行光电探测，得到多个与光拍频对应的电信号，电信号再经交流放大整形得到高信噪的射频信号。放大后的射频信号经功率分配器将信号一分为二，并同时通过两个中心频率不同的窄带宽带通滤波器分别滤出干净的拍频电信号和，滤波后的电信号再同时经过两个性能完全相同、标定后的射频检波器进行射频信号的功率探测，并将探测结果进行信号采集和数字信号处理，与预定的拉曼光功率比进行比对，通过PID控制模拟衰减器对微波驱动信号输出功率进行调节，从而控制相位调制器的调制深度，实现对相位调制后的基频和1级边带的光功率进行闭环调节，最终达到拉曼光功率比稳定控制的目的。选取快速响应及灵敏度高的检波器是实现快速精准稳定功率比的关键，利用该方案可实现100kHz的功率比锁定带宽，同时将拉曼光功率比输出性能提高至少三个量级。
要减小斯塔克效应引起的频移，除了拉曼光功率比的稳定，还要对输出拉曼光的光强进行高质量稳定，即对输出拉曼光功率进行控制。由于光纤分束的功率和偏振不稳定性，本发明采用自由空间分束的结构来进行光功率的稳定控制。具体为，相位调制器产生的调制多频光经分束器后的一路光经过光纤连接型声光调制器AOM作为光通道，所述声光调制器的主要目的并不是为了进行移频，主要是用来进行光强的控制。移频后的调制光经过光纤到透镜的准直器进行自由空间输出，再通过偏振控制和分光器件将线偏振光按比例进行空间分束，主要光功率作为拉曼光进行输出，另一部分光进入自由空间光电探测器进行光功率探测，得到的电压信号经过放大整形等信号处理后，进行信号采集和数字信号处理，再与设定的光功率进行比对，通过PID控制对声光调制器的调制幅度进行反馈控制，实现对声光调制后的光功率进行闭环调节。由于分光棱镜的稳定分光性能，光再经分光棱镜按比例分束后，作为光强稳定的拉曼光进行输出。
实施例1：
图4为780nm波段的激光系统在光纤传输光路下的拉曼光功率稳定系统图，该系统的主要特点是冷原子干涉仪激光系统的种子激光为主从结构(分别为参考激光器和测控激光器)，且均为780nm半导体激光在光纤传输光路下实现拉曼光功率的稳定。具体控制过程为：首先，参考激光器直接输出波长为780nm左右的激光，通过饱和吸收谱将激光频率稳定在85Rb的D2谱线F'3->F'4交叉峰上，作为光源系统的参考光。同时，测控激光也由同型激光器产生，并通过光学锁相环和参考光实现锁相，这不仅完成了测控激光的频率锁定，而且为后续的频率跳变和扫描提供了技术方便。测控激光器的输出光经过电光相位调制器EOM后，产生目标拉曼光和多余的边带光谱成分，且目标拉曼光的谱线为调制光谱的0级和+1级光。EOM调制产生的拉曼光由于能量太低，必须经功率放大器(优选锥形放大器TA)进行光功率放大，功率放大后的拉曼光通过一分二光纤分束器分成两部分，一部分输入到光纤输入型声光调制器中进行功率调节，然后依次通过准直器、1/2波片和偏振分光棱镜，拉曼光通过线偏振分束后，主要光功率耦合进光纤后输出，偏振分光的另一部分光进入自由空间光电探测器进行光功率探测，得到的电压信号经过放大整形等信号处理后，进行信号采集和数字信号处理，再与设定的光功率进行比对，通过PID控制器控制对声光调制器AOM的调制幅度进行反馈控制，配合声光调制对光功率进行闭环稳定调节。另一部分与参考激光器分束产生的起拍光通过合束器进行拍频，通过参考激光器输出端的偏振控制器改变起拍光偏振态与拉曼光偏振态相同，所产生的拍频光经高速探测器进行光电探测，得到多个与光拍频对应的电信号，电信号再经交流放大整形得到高信噪的射频信号。放大后的射频信号经功率分配器将信号一分为二，并同时通过两个中心频率不同的窄带宽带通滤波器分别滤出两个拍频信号，滤波后的两个拍频电信号再分别经过两个射频检波器进行拍频信号的功率探测，并将探测结果进行信号采集和数字信号处理，并通过PID控制模拟衰减器对微波驱动信号输出功率进行调节，从而控制相位调制器的调制深度，最终达到拉曼光功率比稳定控制的目的。
实施例2：
图5为780nm波段的激光系统在自由空间光路下的拉曼光功率稳定系统图，该系统的主要特点是冷原子干涉仪激光系统的种子激光为主从结构(分别为参考激光器和测控激光器)，且均为780nm半导体激光在自由空间光路下实现拉曼光功率的稳定。具体控制过程为：首先，参考激光器直接输出波长为780nm左右的激光，通过饱和吸收谱将激光频率稳定在85Rb的D2谱线F'3->F'4交叉峰上，作为光源系统的参考光。同时，测控激光也由同型激光器产生，并通过光学锁相环和参考光实现锁相，这不仅完成了测控激光的频率锁定，而且为后续的频率跳变和扫描提供了技术方便。测控激光器的输出光经过电光相位调制器EOM后，产生目标拉曼光和多余的边带光谱成分，且目标拉曼光的谱线为调制光谱的0级和+1级光。EOM调制产生的拉曼光由于能量太低，必须经功率放大器(优选锥形放大器TA)进行光功率放大，然后经过光纤输入型声光调制器进行功率调节，然后依次通过准直器、1/2波片(即HWP)和偏振分光棱镜，将拉曼光通过线偏振分束后主要光功率耦合进光纤后输出；偏振分光的另一部分光再通过非偏振分光棱镜分为两束，一束进入自由空间光电探测器进行光功率探测，得到的电压信号经过放大整形等信号处理后，进行信号采集和数字信号处理，再与设定的光功率进行比对，通过PID控制对声光调制器的调制幅度进行反馈控制，配合声光调制对光功率进行闭环稳定调节。非偏振的分光棱镜1分束后的拉曼光与参考激光器分束产生的参考光再通过非偏振的分光棱镜2进行合束，合束光经1/2波片(即HWP)或偏振片将拉曼光和参考光进行偏振耦合，形成偏振相同的拍频光，所产生的拍频光经高速探测器进行光电探测，得到多个与光拍频对应的电信号，电信号再经交流放大整形得到高信噪的射频信号。放大后的射频信号经功率分配器将信号一分为二，并同时分别通过两个中心频率不同的窄带宽带通滤波器滤出两个拍频信号，滤波后的两个电信号再同时分别经过两个射频检波器进行拍频信号的功率探测，并将探测结果进行信号采集和数字信号处理，并通过PID控制器控制模拟衰减器对微波驱动信号输出功率进行调节，从而控制相位调制器的调制深度，最终达到拉曼光功率比稳定控制的目的。
图4和图5所用的参考激光和测控激光是由780nm半导体激光器直接产生，但考虑到780nm器件的成本和系统的稳定性，系统的具体实施还可以利用通信波段1560nm激光器通过倍频产生，通信波段的光纤器件不仅性价比高，而且容易做到高功率和集成，能大大降低系统成本，全光纤器件结构也能提高系统的环境适应能力和稳定性，对光源系统和冷原子干涉仪的工程实用化具有重要价值。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：波长为1560nm的双激光器光路均通过光纤放大器(优选掺铒光纤放大器EDFA)和倍频晶体PPLN进行光学倍频后，将波长转化为780nm，然后再按同实施例1中780nm的参考和测控双激光器一样的方法进行稳频和拉曼光功率稳定。具体的，780nm波段的激光器需要通过锥形放大器TA放大，1560nm波段的激光器系统是通过EDFA进行功率放大，并通过1560nm的AOM进行光功率稳定，之后再经过倍频晶体PPLN进行光学倍频，这样更有利于系统的稳定可靠。
图6是1560nm波段的激光系统在光纤传输光路下的拉曼光功率稳定系统图，1560nm波段的激光器先通过光学倍频转化为780nm激光之后，再进行拉曼光功率比的拍频探测与反馈控制。如果不考虑倍频晶体PPLN的局部转化影响，更直接、经济、有效的功率比稳定方法可以在激光进行倍频转化之前进行拍频信号的获取，分别在经掺铒光纤放大器EDFA放大光分路后进行光纤直接耦合，再直接通过高速探测器进行拍频探测，这样的好处是拍频信号降为780nm波段的一半，对探测器的带宽要求降低，且在1560nm波段进行处理的器件成本进一步降低。
本发明还提供了一种铷元素冷原子干涉仪，采用上述的相位调制型拉曼光功率控制方法调制的拉曼光；
或者，采用上述的相位调制型拉曼光功率控制系统输出的拉曼光。
因为铷元素冷原子干涉仪系统所需要的稳频激光通常是将参考激光锁频至85Rb饱和吸收谱线的D2谱线F'3->F'4交叉峰上。由于锁定后的参考激光频率位置介于相位调制所产生的一对拉曼光中间，且绝对频率非常稳定，能完美地满足探测拉曼光功率比对起拍光的要求，较好地在测量系统内实现功率比控制功能，而不需要额外加激增光器作为起拍光进行拍频探测。这种复用参考光的巧妙设计既实现了拉曼光功率比的测控，同时也简化了方案，降低了实现成本，为冷原子干涉仪的相位调制型拉曼光的精确控制提供了实用化、创新性的巧妙解决方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，包括：
通过测控激光器和参考激光器分别输出测控光和参考光；
所述测控光经过相位调制器输出调制多频光，所述调制多频光经过分束器分成两路，一路输入光合束器；
输入光合束器的光与经过偏振控制器后的参考光进行耦合输出拍频光，输出的拍频光经探测器输出多个与光拍频对应的电信号，所述电信号经放大电路输出射频信号，所述射频信号经过功率分配器将信号分为两路射频信号，两路射频信号同时通过两个中心频率不同的带通滤波器分别滤出拍频电信号fa和fb，滤波后的拍频电信号fa和fb再同时经过两个相同的射频检波器分别输出两路射频信号的功率，将两路射频信号的功率进行信号处理，得到两路射频信号的功率比，将所述功率比与预设的拉曼光功率比进行比对，通过PID控制器对相位调制器的调制深度进行反馈控制；
从相位调制器输出的调制多频光经过分束器输出另一路功率比稳定的拉曼光；
所述拉曼光包括0级光和+1级边带光，所述参考光的频率介于0级光的频率和+1级边带光的频率之间。
2.根据权利要求1所述的相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，所述拉曼光功率控制方法还包括对拉曼光总功率的控制；
对拉曼光总功率的控制包括：所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器输出移频后的调制光，所述移频后的调制光依次经过准直器、偏振控制器输出偏振光，所述偏振光经过分光器件分成两路，一路经过探测器输出电压信号，所述电压信号经过信号处理后，得到拉曼光总功率，将拉曼光总功率与预设的光功率进行比对，通过PID控制器对声光调制器的调制幅度进行反馈控制，从分光器件输出另一路总功率稳定的拉曼光。
3.根据权利要求1所述的相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，通过PID控制器对相位调制器的调制深度进行反馈控制，包括通过PID控制器控制模拟衰减器对微波驱动信号输出功率进行调节，控制相位调制器的调制深度，进而控制拉曼光的功率比。
4.根据权利要求1所述的相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，所述参考激光器通过饱和吸收稳频模块将单频激光锁定在铷原子饱和吸收谱线的D2谱线上，所述测控激光器通过光学锁相模块将测控光的频率跟踪锁定在参考激光器上。
5.根据权利要求1所述的相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，所述参考激光器和测控激光器均采用波长为780nm的激光器时，所述相位调制器产生的调制多频光经过声光调制器之前通过功率放大器进行功率放大。
6.根据权利要求1所述的相位调制型拉曼光功率控制方法，其特征在于，所述参考激光器和测控激光器均采用波长为1560nm的激光器时，所述参考激光器和测控激光器输出的测控光和参考光均需要通过光纤放大器和倍频晶体进行光学倍频后，将波长转化为780nm。
7.一种相位调制型拉曼光功率控制系统，其特征在于，包括测控激光器、参考激光器、相位调制器、偏振控制器、分束器、合束器、探测器、功率分配器、带通滤波器、射频检波器、第一信号采集与处理模块以及第一PID控制模块；
所述参考激光器输出参考光，参考光通过偏振控制器输出偏振光；
所述测控激光器输出测控光，测控光通过相位调制器输出调制光；
所述偏振光与所述调制光通过合束器输出拍频光，拍频光通过探测器以及放大电路输出射频信号，射频信号通过功率分配器将信号分为两个射频信号，两个射频信号分别通过两个中心频率不同的带通滤波器滤出两个不同的拍频电信号，滤波后的两个拍频电信号分别通过射频检波器输出射频信号的功率，所述射频信号的功率通过第一信号采集与处理模块处理，处理后的信号通过第一PID控制模块输入至相位调制器，所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出功率比稳定的拉曼光。
8.根据权利要求7所述的相位调制型拉曼光功率控制系统，其特征在于，所述的相位调制型拉曼光功率控制系统还包括声光调制器、准直器、分光器件、第二信号采集与处理模块以及第二PID控制模块；
所述相位调制器输出的调制光通过分束器输出的一部分光通过声光调制器输出声光调制光，所述声光调制光依次通过准直器和偏振控制器输出偏振光，所述偏振光通过分光器件进行分束，一部分光依次经过探测器、第二信号处理信号采集与处理模块和第二PID控制模块输入至声光调制器，另一部分光作为拉曼光输出。
9.根据权利要求7或8所述的相位调制型拉曼光功率控制系统，其特征在于，所述参考激光器上设有稳频模块，所述测控激光器上设有锁相模块。
10.一种铷元素冷原子干涉仪，其特征在于，采用如权利要求1-6任一所述的一种相位调制型拉曼光功率控制方法调制的拉曼光；
或者，采用如权利要求7-9任一所述的一种相位调制型拉曼光功率控制系统输出的拉曼光。
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