CN111834875A - 一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法 - Google Patents

一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法 Download PDF

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CN111834875A CN202010514779.4A CN202010514779A CN111834875A CN 111834875 A CN111834875 A CN 111834875A CN 202010514779 A CN202010514779 A CN 202010514779A CN 111834875 A CN111834875 A CN 111834875A
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宋新明
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Abstract

本发明涉及一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法，包括通过光路依次连接的声光调制器、激光耦合器、激光分束器，还包括光功率反馈控制单元，所述光功率反馈控制单元的输入端连接所述激光分束器、其输出端连接所述声光调制器；所述声光调制器通过控制信号对输入激光进行调制，以控制激光输出功率；所述激光耦合器实现激光的耦合；所述激光分束器发出两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光束，两束所述冷却激光束对和所述监测激光束的功率相同；所述光功率反馈控制单元检测所述监测激光束的激光实时输出功率值，并输出驱动所述声光调制器的控制信号。本发明实现了冷却激光的功率稳定闭环控制，激光功率的长期稳定性高，可达0.2％/24h。

Description

一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法
技术领域
本发明涉及激光功率控制领域，具体涉及一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法。
背景技术
随着冷原子技术的发展，冷原子干涉仪已经被用来对物理常数、重力加速度、重力梯度、旋转等物理量进行高精度测量。
冷原子干涉仪的工作流程可以分为四个阶段：冷原子的囚禁阶段，冷原子抛射阶段，冷原子干涉阶段和干涉信号探测阶段。根据冷原子干涉仪的工作要求，冷原子囚禁和抛射时需要用到的冷却激光束，其中囚禁阶段冷却激光束的频率和功率会影响囚禁冷原子团的位置和原子数量，而抛射阶段冷却激光束的频率发生变化，冷原子团在冷却激光束的作用下发生移动，冷原子团最终的速度大小取决于冷却激光频率的变化量，而速度方向取决于冷却激光的功率，这就要求冷原子干涉仪的每一对冷却激光束相互之间可完全独立地调节激光束的频率和功率。
现有的绝大多数冷原子干涉仪都是采用三对冷却激光束来实施冷原子团的囚禁与抛射。三对冷却激光束由同一台激光器产生，在构建的光路中使用偏振分光棱镜和波片将激光器产生的激光进行分束，分束后的三束激光分别使用三个声光调制器来产生衍射激光；每个声光调制器输出的衍射激光束通过分光比为1：1的激光分束器产生三对激光束，作为冷原子干涉仪的冷却激光束对。三个声光调制器的独立控制可以保证三对激光束的完全独立可调节，但这样也存在明显的激光功率不稳定的弊端：一是激光器输出激光的功率以及偏振状态的不稳定，分束之后的激光功率会不稳定，二是由于声光调制器本身的特性的差异，其出射的衍射激光功率相对入射激光功率会有一定的损失以及不稳定，三是声光调制器的出射激光通过耦合的方式进入分束器后，耦合结构的机械特性会导致耦合效率发生变化，进而导致分束后输出的冷却激光束对的功率也会发生变化。冷却激光束的功率不稳定则会导致冷原子干涉仪工作时冷原子团囚禁位置以及移动速度方向的不稳定，给冷原子干涉仪的测量结果带来影响。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统及方法，解决冷原子干涉仪冷却激光功率不稳定的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，包括通过光路依次连接的声光调制器、激光耦合器、激光分束器，还包括光功率反馈控制单元，所述光功率反馈控制单元的输入端连接所述激光分束器、其输出端连接所述声光调制器；
所述声光调制器通过控制信号对输入激光进行调制，以控制激光输出功率；
所述激光耦合器实现激光的耦合；
所述激光分束器发出两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光束，两束所述冷却激光束对和所述监测激光束的功率相同；
所述光功率反馈控制单元检测所述监测激光束的激光实时输出功率值，并输出驱动所述声光调制器的控制信号。
进一步，所述光功率反馈控制单元包括光功率监测模块、控制器、直接频率合成器、功率放大器，所述光功率监测模块的输入与所述激光分束器的输出通过光路连接，所述控制器与所述光功率监测模块、所述直接频率合成器分别通信连接，所述直接频率合成器的输出与所述功率放大器信号连接，所述功率放大器的输出与所述声光调制器信号连接，
所述光功率监测模块将所述监测激光束的光信号转化成电信号，测得激光实时输出功率值；
所述控制器将所述激光实时输出功率值与预存的激光功率阈值、监测功率参考值进行计算后，输出幅值调节后的控制信号；
所述直接频率合成器将所述控制信号转化为具有特定频率的控制信号并输出；
所述功率放大器将所述控制信号放大；
放大后的所述控制信号驱动所述声光调制器对激光进行调制，以控制激光输出功率。
进一步，所述光功率监测模块包括依次信号连接的光电检测器、信号调理模块和信号采集转换模块，
所述光电检测器采集所述监测激光束的光信号并将其转换成激光实时输出功率对应的电信号；
所述信号调理模块将所述电信号进行隔离、转换、放大并输出到所述信号采集转换模块；
所述信号采集转换模块采集所述电信号并进行模/数转换后输出到所述控制器。
进一步，所述直接频率合成器与所述功率放大器之间、所述功率放大器与所述声光调制器之间分别通过同轴电缆连接。
进一步，所述控制器和上位机通信连接，通过所述上位机设置所述控制器的参数。
进一步，所述声光调制器对激光进行调制时，所述冷却激光束对的输出功率和所述监测激光束的输出功率变化一致。
进一步，该冷却激光功率稳定系统还包括冷原子干涉仪主控系统，所述冷原子干涉仪主控系统通过发出中断信号控制所述光功率反馈控制单元的通断：当所述中断信号为高电平时，关断所述光功率反馈控制单元；当所述中断信号为低电平时，开启所述光功率反馈控制单元。
另一方面，本发明提供一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定方法，包括以下步骤：
S1、预设关闭激光功率稳定功能时的预设功率参考值P1，以及开启激光功率稳定功能时的监测功率参考值P2、激光功率阈值PT；
S2、判断是否开启激光功率稳定功能；
S3、若不开启激光功率稳定功能，则采用所述预设功率参考值P1对激光控制信号的幅值进行调节；
S4、若开启激光功率稳定功能，则监测激光实时输出功率P，将所述激光实时输出功率P与所述激光功率阈值PT进行比对：若激光实时输出功率P大于激光功率阈值PT，则将所述激光实时输出功率P与所述监测功率参考值P2通过PID算法计算出调节功率值P’，采用所述调节功率值P’对激光控制信号的幅值进行调节；若激光实时输出功率P不大于激光功率阈值PT，则采用所述预设功率参考值P1对激光控制信号的幅值进行调节，同时发出告警信息。
进一步，本发明通过调节激光控制信号的幅值，对激光功率进行控制。
本发明的有益效果是：本发明中激光经声光调制器调制后进入激光耦合器耦合，耦合后的激光经激光分束器形成两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光，两束冷却激光束的功率均与监测激光束的功率一致，可通过反馈监测激光束的功率来对两束冷却激光束的功率进行监测。光功率反馈控制系统与声光调制器和激光分束器均连接，监测激光经光功率反馈控制系统检测并生成控制信号驱动调节声光调制器，声光调制器对激光进行调制，进而控制输出的激光的功率，实现了冷却激光的功率稳定闭环控制，激光功率的长期稳定性高，可达0.2％/24h。
附图说明
图1为本发明实施例的冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统总体框图；
图2为本发明实施例的光功率监测模块框图；
图3为本发明的冷原子干涉仪的工作阶段示意图；
图4为本发明实施例的功率稳定调节流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、声光调制器，2、激光耦合器，3、激光分束器，4、光功率反馈控制单元，41、光功率监测模块，411、光电检测器，412、信号调理模块，413、信号采集转换模块，42、控制器，43、直接频率合成器，44、功率放大器，5、上位机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一方面，本发明提供如图1所示的一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，包括通过光路依次连接的声光调制器1、激光耦合器2、激光分束器3，还包括光功率反馈控制单元4，所述光功率反馈控制单元4的输入端连接所述激光分束器3、其输出端连接所述声光调制器1；
所述声光调制器1通过控制信号对输入激光进行调制，以控制激光输出功率；
所述激光耦合器2实现激光的耦合；
所述激光分束器3发出两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光束，两束所述冷却激光束对和所述监测激光束的功率相同；
所述光功率反馈控制单元4检测所述监测激光束的激光实时输出功率值，并输出驱动所述声光调制器1的控制信号。
如图1所示，所述光功率反馈控制单元4包括光功率监测模块41、控制器42、直接频率合成器43、功率放大器44，所述光功率监测模块41的输入与所述激光分束器3的输出通过光路连接，所述控制器42与所述光功率监测模块41、所述直接频率合成器43分别通过数字接口进行通信连接，通过数字接口可以有效地提高系统抗干扰能力，提供系统稳定性。所述直接频率合成器43的输出与所述功率放大器44信号连接，所述功率放大器44的输出与所述声光调制器1信号连接。
所述光功率监测模块41将所述监测激光束的光信号转化成电信号，以测得激光实时输出功率值，并将激光实时输出功率值输送到所述控制器42中。
所述控制器42将所述激光实时输出功率值与预存的激光功率阈值、监测功率参考值进行计算后，输出幅值调节后的控制信号。
具体的，控制器42首先将所述激光实时输出功率与预存的激光功率阈值进行比对：若激光实时输出功率大于激光功率阈值，则将所述激光实时输出功率与所述监测功率参考值通过PID算法计算出调节功率值，采用所述调节功率值对控制器42输出的激光控制信号的幅值进行调节；若激光实时输出功率不大于激光功率阈值，则采用另一个预设功率参考值对激光控制信号的幅值进行调节，同时设置控制器42的告警标志位并发出告警信息。若是激光实时输出功率不大于激光功率阈值，通常表明出现冷却激光被遮挡或者总输入激光功率出现衰减等异常，该光功率反馈控制单元4会自动停止工作并告警提示，待遮挡物移除后或者激光实时输出功率恢复至设定阈值后，光功率反馈控制单元4则恢复工作，实现了智能化反馈控制。
所述直接频率合成器43将所述控制信号转化为具有特定频率的控制信号并输出。直接频率合成器43中预设有控制信号的输出频率，其将通过控制器42调幅后的控制信号进行调频，并送往下一步的功率放大器44中。
所述功率放大器44将所述控制信号放大并输送到声光调制器1中，以驱动声光调制器1对激光进行调制。
放大后的所述控制信号驱动所述声光调制器1对激光进行调制，以控制激光输出功率。
如图2所示，本实施例中，所述光功率监测模块41包括依次通过同轴电缆进行信号连接的光电检测器411、信号调理模块412和信号采集转换模块413，信号采集转换模块413通过数字接口与控制器42进行信号连接。采用同轴电缆连接以及数字接口连接，可有效提高系统的抗干扰能力。
所述光电检测器411采集所述监测激光束的光信号并将其转换成激光实时输出功率对应的电信号；
所述信号调理模块412将所述电信号进行隔离、转换、放大并输出到所述信号采集转换模块413；
所述信号采集转换模块413采集所述电信号并进行模/数转换后输出到所述控制器42。
进一步，所述直接频率合成器43与所述功率放大器44之间、所述功率放大器44与所述声光调制器1之间分别通过同轴电缆连接。采用同轴电缆可以有效提高信号的抗干扰性。
进一步，所述控制器42和上位机5通信连接，通过所述上位机5设置所述控制器42的参数。本实施例中，通过上位机5与控制器42的连接，可在上位机5对整个系统进行初始化，设置系统的各项参数，例如预设直接频率合成器43的输出频率、不开启光功率反馈控制单元4时的预设功率参考值、开启光功率反馈控制单元4时的监测功率参考值、激光功率阈值等，并将监测数据上传保存。
本实施例中，所述声光调制器1对激光进行调制时，所述冷却激光束对的输出功率和所述监测激光束的输出功率变化一致。可以通过对监测激光束的功率的检测与控制来同步控制两束冷原子干涉仪的冷却激光束对的功率值。
本实施例中，该冷却激光功率稳定系统还包括冷原子干涉仪主控系统，所述冷原子干涉仪主控系统通过发出中断信号控制所述光功率反馈控制单元4的通断：当所述中断信号为高电平时，关断所述光功率反馈控制单元4；当所述中断信号为低电平时，开启所述光功率反馈控制单元4。
更详细的，如图3所示，冷原子干涉仪主控系统通过上位机5与控制器42通信连接。冷原子干涉仪主控系统产生的中断信号为高电平有效，中断信号有效时关闭所述光功率反馈控制单元4，中断信号无效时启动所述光功率反馈控制单元4。冷原子干涉仪主控系统产生的中断信号的产生过程：冷原子干涉仪工作时冷却激光的强度曲线521如图3所示，其最小值为零，冷原子干涉仪工作时发送给光功率反馈控制单元4的中断信号511如图3所示。中断信号的高电平有效状态，冷原子干涉仪的工作阶段分别为原子囚禁工作阶段501，原子抛射工作阶段502，偏振梯度冷却工作阶段503，冷却激光关闭阶段504，重复囚禁工作阶段505。结合冷原子干涉仪工作的具体要求，中断信号511在偏振梯度冷却工作阶段503和冷却激光关闭阶段504两个阶段给出；此时，冷原子干涉仪的冷却激光的功率会出现大幅度变化并最终关闭，此阶段不需要进行功率稳定；而原子囚禁工作阶段501、原子抛射工作阶段502和重复囚禁工作阶段505，光功率反馈控制单元4正常工作，以确保冷原子团囚禁位置的稳定以及抛射速度的稳定。
另一方面，基于上述的冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，本发明提供一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定方法，具体包括以下步骤：
S1、通过上位机5进行系统初始化，预设关闭激光功率稳定功能(即关闭光功率反馈控制单元4的反馈功能)时的预设功率参考值P1，以及开启激光功率稳定功能(即开启光功率反馈控制单元4的反馈功能)时的监测功率参考值P2、激光功率阈值PT，还有直接频率合成器43的输出频率值；
S2、通过冷原子干涉仪主控系统发出的中断信号，判断是否开启激光功率稳定功能(即光功率反馈控制单元4的反馈功能)；
S3、若中断信号为高电平，表示不开启激光功率稳定功能，则采用所述预设功率参考值P1作为基准对激光控制信号的幅值进行调节；
S4、若中断信号为低电平，开启激光功率稳定功能，则检测监测激光束的激光实时输出功率P，将所述激光实时输出功率P与所述激光功率阈值PT进行比对：若激光实时输出功率P大于激光功率阈值PT，则将所述激光实时输出功率P与所述监测功率参考值P2作为控制器42中PID控制的输入，通过PID算法计算出调节功率值P’，采用所述调节功率值P’作为基准对激光控制信号的幅值进行调节；若激光实时输出功率P不大于激光功率阈值PT，则采用所述预设功率参考值P1作为基准对激光控制信号的幅值进行调节，同时设置系统的告警标志位并发出告警信息。
S5、将根据步骤S3或步骤S4得到的功率值基准作为直接频率合成器43的输入，直接频率合成器43通过所述功率值基准对激光控制信号的幅值进行调节，然后输出调幅后的具有固定输出频率的控制信号，该控制信号经放大后驱动声光调制器1对输入的激光进行调制，从而达到对激光的功率进行控制的目的。
本实施例中，本发明通过调节激光控制信号的幅值，对激光功率进行控制。
现结合图4的流程图，对激光功率稳定调节的过程进行进一步描述。如图4所示，冷原子干涉仪冷却激光功率稳定调节的流程如下：系统开始工作时，执行步骤01，进行系统初始化，由上位机5对控制器42进行初始化配置，配置参数包括直接频率合成器43的输出频率、预设功率参考值P1，光功率反馈控制单元4工作时的监测激光束的监测功率参考值P2以及激光功率阀值PT，控制器42根据初始化配置参数对直接频率合成器43进行编程；步骤02：通过冷原子干涉仪主控系统发出的中断信号判断是否需要对激光进行功率稳定，如果需要进行激光功率稳定则执行步骤03，否则回到步骤02；步骤03：当未接收到冷原子干涉仪主控系统的中断信号时，执行步骤04；步骤04：完成对监测激光束的激光实时输出功率P采集后执行步骤05；步骤05：判断采集得到的数据是否大于步骤01中设定的激光功率阈值PT，如果大于激光功率阈值PT，执行步骤061；步骤061：计算采集数据和步骤01中设定的监测功率参考值P2之间的偏差，并通过PID算法计算需要调节直接频率合成器43的调节功率值P’；步骤061执行后，执行步骤07，将步骤061得到的调节功率值P’对直接频率合成器43进行编程控制，输出调幅后频率为步骤01中预设的输出频率的激光控制信号，使用该激光控制信号对声光调制器1进行驱动，以调节激光的功率值，使得激光经激光分束器3形成两束冷原子干涉仪的冷却激光束对以及监测激光束达到预定值。
当外界因素导致激光实时输出功率P出现衰减或激光被遮挡时，步骤04同样完成对监测激光束的激光实时输出功率P采集，且该数值低于步骤01中设置的激光功率阈值PT，此时步骤05不能满足执行步骤061的要求，将执行步骤062；步骤062读出步骤01中设置的预设功率参考值P1，将其直接作为调节直接频率合成器43的输入功率值，同时设置控制器42的告警标志位，发出对应的告警信息；操作完成后，执行步骤07，将步骤062得到的预设功率参考值P1对直接频率合成器43进行编程控制，输出调幅后频率为步骤01中预设的输出频率的激光控制信号，使用该激光控制信号对声光调制器1进行驱动，以调节激光的功率值，使得激光经激光分束器3形成两束冷原子干涉仪的冷却激光束对以及监测激光束达到预定值。
当光功率反馈控制单元4与冷原子干涉仪主控系统连接时，光功率反馈控制单元4接收冷原子干涉仪主控系统的中断控制信号；步骤03判断当前控制周期是否接收到冷原子干涉仪主控系统发出中断控制信号；如接收到中断控制信号(即中断信号为高电平)，则执行步骤02，此时激光功率稳定功能(即关闭光功率反馈控制单元4的反馈功能)暂停，冷却激光功率停止反馈，此时的冷原子干涉仪主控系统操作直接频率合成器43，完成射频信号开关，频率扫描等功能。
本发明中激光经声光调制器1后进入激光耦合器2耦合，耦合后的激光经激光分束器3形成两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光，两束冷却激光束的功率均与监测激光束的功率一致，可通过反馈监测激光束的功率来对两束冷却激光束的功率进行监测。光功率反馈控制系统与声光调制器1和激光分束器3均连接，监测激光经光功率反馈控制系统检测并生成控制信号驱动调节声光调制器1，声光调制器1对激光进行调制，进而控制输出的激光的功率，实现了冷却激光的功率稳定闭环控制，激光功率的长期稳定性高，可达0.2％/24h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，包括通过光路依次连接的声光调制器(1)、激光耦合器(2)、激光分束器(3)，还包括光功率反馈控制单元(4)，所述光功率反馈控制单元(4)的输入端连接所述激光分束器(3)、其输出端连接所述声光调制器(1)；
所述声光调制器(1)通过控制信号对输入激光进行调制，以控制激光输出功率；
所述激光耦合器(2)实现激光的耦合；
所述激光分束器(3)发出两束冷原子干涉仪的冷却激光束对和监测激光束，两束所述冷却激光束对和所述监测激光束的功率相同；
所述光功率反馈控制单元(4)检测所述监测激光束的激光实时输出功率值，并输出驱动所述声光调制器(1)的控制信号。
2.根据权利要求1所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，所述光功率反馈控制单元(4)包括光功率监测模块(41)、控制器(42)、直接频率合成器(43)、功率放大器(44)，所述光功率监测模块(41)的输入与所述激光分束器(3)的输出通过光路连接，所述控制器(42)与所述光功率监测模块(41)、所述直接频率合成器(43)分别通信连接，所述直接频率合成器(43)的输出与所述功率放大器(44)信号连接，所述功率放大器(44)的输出与所述声光调制器(1)信号连接，
所述光功率监测模块(41)将所述监测激光束的光信号转化成电信号，测得激光实时输出功率值；
所述控制器(42)将所述激光实时输出功率值与预存的激光功率阈值、监测功率参考值进行计算后，输出幅值调节后的控制信号；
所述直接频率合成器(43)将所述控制信号转化为具有特定频率的控制信号并输出；
所述功率放大器(44)将所述控制信号放大；
放大后的所述控制信号驱动所述声光调制器(1)对激光进行调制，以控制激光输出功率。
3.根据权利要求2所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，所述光功率监测模块(41)包括依次信号连接的光电检测器(411)、信号调理模块(412)和信号采集转换模块(413)，
所述光电检测器(411)采集所述监测激光束的光信号并将其转换成激光实时输出功率对应的电信号；
所述信号调理模块(412)将所述电信号进行隔离、转换、放大并输出到所述信号采集转换模块(413)；
所述信号采集转换模块(413)采集所述电信号并进行模/数转换后输出到所述控制器(42)。
4.根据权利要求2所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，所述直接频率合成器(43)与所述功率放大器(44)之间、所述功率放大器(44)与所述声光调制器(1)之间分别通过同轴电缆连接。
5.根据权利要求2所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，所述控制器(42)和上位机(5)通信连接，通过所述上位机(5)设置所述控制器(42)的参数。
6.根据权利要求1所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，所述声光调制器(1)对激光进行调制时，所述冷却激光束对的输出功率和所述监测激光束的输出功率变化一致。
7.根据权利要求1任一项所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定系统，其特征在于，还包括冷原子干涉仪主控系统，所述冷原子干涉仪主控系统通过发出中断信号控制所述光功率反馈控制单元(4)的通断：当所述中断信号为高电平时，关断所述光功率反馈控制单元(4)；当所述中断信号为低电平时，开启所述光功率反馈控制单元(4)。
8.基于权利要求1-7任一项所述系统的冷原子干涉仪冷却激光功率稳定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预设关闭激光功率稳定功能时的预设功率参考值P1，以及开启激光功率稳定功能时的监测功率参考值P2、激光功率阈值PT；
S2、判断是否开启激光功率稳定功能；
S3、若不开启激光功率稳定功能，则采用所述预设功率参考值P1对激光控制信号的幅值进行调节；
S4、若开启激光功率稳定功能，则监测激光实时输出功率P，将所述激光实时输出功率P与所述激光功率阈值PT进行比对：若激光实时输出功率P大于激光功率阈值PT，则将所述激光实时输出功率P与所述监测功率参考值P2通过PID算法计算出调节功率值P’，采用所述调节功率值P’对激光控制信号的幅值进行调节；若激光实时输出功率P不大于激光功率阈值PT，则采用所述预设功率参考值P1对激光控制信号的幅值进行调节，同时发出告警信息。
9.根据权利要求8所述一种冷原子干涉仪冷却激光功率稳定方法，其特征在于，通过调节激光控制信号的幅值，对激光功率进行控制。
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