CN112054795A - 一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，射频功率探测器对低通滤波器输出的频率锁定的锁频信号进行探测得到频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统，伺服反馈系统根据频率误差信号生成频率调节信号，并将频率调节信号输入到第一从激光器，将回泵光进行调节锁定到主激光器对应的原子谱线锁定频率。锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统，拉曼光伺服反馈系统根据相位误差信号生成相位调节信号，并将相位调节信号输入到第二从激光器，从而锁定相位。本发明针对原子干涉仪而言，整个锁频锁相部分具有紧凑性，将对回泵光的锁频和对拉曼光的锁相整合成了同一模块，前置光路和电路可以通用。
Description
技术领域
本发明涉及原子干涉领域，更具体涉及到一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置。
背景技术
随着激光冷却和俘获技术的发展，原子干涉、原子钟、原子芯片导引等领域发展迅速。原子干涉基于粒子波动性的原理，利用物质波代替光波，在不同路径传播，通过检测相干相位差来获得路径信息。原子干涉仪主要由：冷原子制备、原子相干操纵和干涉相位探测三部分组成。整个系统涉及到的光学部分都需要对激光进行稳频，并且频率的稳定性对系统的灵敏度、精度和信号的强弱都很重要，在原子干涉仪的第三部分，原子干涉相位的探测中需要利用锁相技术实现原子相干相位差的锁定。原子干涉仪需要多束功率、频率、时序不同的激光束来完成冷却、回泵、干涉和探测等操作。
在原子干涉仪中用到的稳频锁相方案主要有：第一类是利用原子谱线进行锁频例如饱和吸收谱、兰姆凹陷和调制转移谱等，第二类是利用光学锁相环进行锁相进而锁频，第三类是利用主、从激光器之间拍频进行锁频。饱和吸收谱等利用原子谱线锁频的方法，锁频点限制于原子本身的跃迁，虽然锁频点比较准确但是锁频范围限制较大，本发明主要利用的是第三种方案拍频锁频的方法，不同拍频锁频法的主要区别在于误差信号的产生方式，在文献U.Schünemann,H.Engler,R.Grimm,M.Weidemüller,M.Zielonkowski,Rev.Sci.Instrum.70,242(1999)中报道了一种用电子线延迟进行拍频的方案，这种方案的主要问题是会在误差信号处产生一些零点交叉，并且如果应用在原子干涉仪中零点交叉会引入额外的噪声。在文献T.Stace,A.Luiten,R.P.Kovacich,Meas.Sci.Technol.9,1635(1998)中报道了一种频率-电压转换器，后逐渐发展成为商用鉴频器，这种方案的主要问题是在高频区适用性会差一些并且价格相对较贵，高精度原子干涉仪的扫频要求比较高，对应的锁定范围较广。还有一种方案是采用滤波器进行锁频，在文献G.RITT,G.CENNINI,C.GECKELER,M.WEITZ.Appl.Phys.B 79,363–365(2004)，中报道了一种利用高通滤波，在文献G.Puentes.Appl Phys B(2012)107:11–16中报道了一种利用高通滤波和低通滤波器频率交叉点作为锁频点，但这种方法扫频范围小，对锁频点的限制比较大，并且对于高精度原子干涉仪而言锁频范围是在对应的原子谱线附近的，这两种锁频都需要利用EOM(电光调制器)或者AOM(声光调制器)进行移频，增加了额外的电子元件噪声不利于提高仪器精度。
本发明主要针对原子干涉仪领域，利用调制转移谱对主激光器的频率进行锁定，利用低通滤波和混频器来对从激光器进行拍频锁频，并且将低通滤波前模块进行紧凑整合成为即可进行稳频又可进行锁相的前置模块。这种方案可以获得线性误差信号的反馈，可以在任意频率范围进行调节，并且仅受限于电子元件的带宽。
发明内容
本发明是针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，包括主激光器，主激光器的频率锁定至原子谱线锁定频率，主激光器输出的第一出射光经过第一1/2波片后入射第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜输出第一透射光和第一反射光，第一透射光经过第二1/2波片后入射第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜输出第二透射光和第二反射光，第一从激光器输出的回泵光经第三1/2波片后与第一透射光呈90度角入射第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜产生第三透射光和第三反射光，第二透射光和第三反射光合束后生成第一合束光，第一合束光经第四1/2波片后入射第三偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜生成第四透射光和第四反射光，第四透射光经第一透镜聚焦后由第一探测器接收，第一探测器接收的光信号由第一光电转换模块转成电信号输入到第一混频器，第一混频器将第一光电转换模块输出的电信号与第一高频晶振输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到功率放大器，功率放大器输出的信号经过低通滤波器后由射频功率探测器进行探测获得频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统，伺服反馈系统根据频率误差信号生成频率调节信号并输入到第一从激光器，将回泵光的频率调节锁定到原子谱线锁定频率。
第一反射光经过第六1/2波片入射第四偏振分光棱镜后产生的第五透射光和第五反射光，第二从激光器输出的第二出射光经第五1/2波片后入射第四偏振分光棱镜，第四偏振分光棱镜产生第六透射光和第六反射光，第五反射光和第六透射光合束后生成第二合束光，第二合束光经第七1/2波片入射第五偏振分光棱镜，第五偏振分光棱镜生成第七反射光和第七透射光，第七透射光经第二透镜聚焦后由第二探测器接收，第二探测器接收到的光信号由第二光电转换模块转换成电信号输入到第二混频器，第二混频器将第二光电转换模块输出的电信号与第二高频晶振输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到锁相环，锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统，拉曼光伺服反馈系统根据相位误差信号生成相位调节信号并输入到第二从激光器。
通过调节第一1/2波片，使得第一反射光和第一透射光的光强为1:1；
通过调节第二1/2波片，使得第二透射光光强最强且第二反射光光强最弱；
通过调节第三1/2波片，使得第三透射光光强最弱且第三反射光光强最强；
通过调节第四1/2波片，使得第四透射光光强最强且第四反射光光强最弱；
通过调节第六1/2波片，使得第五反射光光强最强且第五透射光光强最弱；
通过调节第五1/2波片，使得第六透射光光强最强且第六反射光光强最弱；
通过调节第七1/2波片，使得第七反射光光强最弱且第七透射光光强最强。
第四透射光的光偏振态一致，第七透射光的光偏振态一致。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明针对原子干涉仪而言，整个锁频锁相部分具有紧凑性，将对回泵光的锁频和对拉曼光的锁相整合成了同一模块，前置光路和电路可以通用。
2、本发明利用低通滤波器、射频功率探测器和伺服反馈系统结合对回泵光频率进行锁定。锁频频率范围广，且仅受限于电子元件本身的带宽，获得的频率误差信号是线性的，所用低通滤波器等元件较之于之前使用的鉴频器性价比更高，稳定性更好。
附图说明
图1为主从激光器关系图；
图2为发明的光路电路示意图；
图3为拍频锁频锁相的流程图；
图4是射频功率探测器输出的频率误差信号的频率随电压变化的曲线。
图中：1-主激光器，2-第一从激光器，3-第二从激光器，401-第一1/2波片，402-第二1/2波片，403-第三1/2波片，404-第四1/2波片，405-第五1/2波片，406-第六1/2波片，501-第一偏振分光棱镜(PBS，Polarized Beam Splitter)，502-第二偏振分光棱镜，503-第三偏振分光棱镜，504-第四偏振分光棱镜，505-第五偏振分光棱镜，601-第一透镜，602-第二透镜，701-第一探测器，702-第二探测器，801-第一光电转换模块，802-第二光电转换模块，901-第一混频器，902-第二混频器，10-功率放大器，11-低通滤波器，12-射频功率探测器，13-回泵光伺服反馈系统，1401-第一高稳晶振，1402-第二高稳晶振，15-锁相环，16-拉曼光伺服反馈系统，20-回泵光锁频模块，30-拉曼光锁相模块。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明应用于原子干涉仪，提供了一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置。
图1中，第一从激光器2产生回泵光和主激光器1进行拍频锁频，第二从激光器3产生拉曼光和主激光器1进行拍频锁相。
图2中，第一1/2波片401～第六1/2波片406主要作用是调节PBS分光比，
第一偏振分光棱镜501～第五偏振分光棱镜505主要作用是将一束入射光分成传播方向垂直的两束光，
第一透镜601～第二透镜602将拍频光聚焦，提高光束质量,因为拍频光较弱而探测器的感光面积比较小，所以利用透镜将拍频光聚焦，提高光束质量，
第一探测器701～第二探测器702探测到的信号为光信号，
第一光电转换模块801～第二光电转换模块802将光信号转化为电信号，这一个模块也是光路和电路的过渡部分，
第一混频器901,将第一高稳晶振1401和由第一光电转化模块801输出的电信号进行混频。
第二混频器902,将第二高稳晶振1402和由第二光电转化模块802输出的电信号进行混频。
第一高稳晶振1401～第二高稳晶振,型号1402，PDRO51-6800-100-I-13提供频率参考，
功率放大器10连接的是第一混频器901的中频IF输出端口，因为混频后的拍频信号较弱需要进行放大，所以这里连接一个功放，
低通滤波器11，型号SLP-150+，主要是将功率放大器10输出的信号锁到对应的频率点，由于低通滤波器的插入损耗在频率为100到1000MHz之间有一段接近线性的斜线区间，而这段区域的频率与原子干涉仪中原子的谱线锁频范围吻合，可以利用这一段线性区域进行拍频锁频。
射频功率探测器12，主要是将低通滤波11输出的电信号进行探测接收并发出对应的频率误差信号，根据低通滤波器11输出的电信号获得频率信号，将频率信号与主激光器的原子谱线锁定频率相减获得频率误差信号，将频率误差信号传到回泵光伺服反馈系统13，回泵光伺服反馈系统13根据频率误差信号生成频率调节信号反馈到第一从激光器2，将回泵光进行调节锁定到主激光器1对应的原子谱线锁定频率。
锁相环15，主要完成锁相，
伺服反馈系统16，将误差信号反馈回第二从激光器3内，进而完成拍频锁相。
如图3为本发明的流程步骤，主要包括以下步骤：
S11.将主激光器1的频率锁定到原子谱线锁定频率，主要锁频方法是利用原子谱线例如调制转移谱、饱和吸收谱、兰姆凹陷等。
S12.以主激光器1锁好的频率作为标准，对第一从激光器2和第二从激光器3分别进行锁频和锁相。
S13.主激光器1输出的第一出射光经过第一1/2波片401后入射第一偏振分光棱镜501，利用第一1/2波片401调节第一偏振分光棱镜501的分光比，本实施例，第一反射光和第一透射光的光强为1:1，第一偏振分光棱镜501输出的第一透射光经过第二1/2波片402后入射第二偏振分光棱镜502，第一偏振分光棱镜501输出的第一反射光入射拉曼光锁相模块30。
S14.第二1/2波片402调节第二偏振分光棱镜502对第一透射光的分光比，经第二1/2波片402调节后的第一透射光入射第二偏振分光棱镜502后产生的第二透射光和第二反射光，通过调节第二1/2波片402，使得第二透射光光强最强且第二反射光光强最弱；
第三1/2波片403调节第二偏振分光棱镜502对第一从激光器2输出的回泵光的分光比，第一从激光器2输出的回泵光与第一透射光呈90夹角入射第二偏振分光棱镜502后产生第三透射光和第三反射光，通过调节第三1/2波片403，使得第三透射光光强最弱且第三反射光光强最强；
第二透射光和第三反射光合束后生成第一合束光，
S15.第四1/2波片404调节第三偏振分光棱镜503对第一合束光的分光比，经第四1/2波片404调节后的第一合束光入射第三偏振分光棱镜503生成第四透射光和第四反射光，通过调节第四1/2波片404，使得第四透射光光强最强且第四反射光光强最弱；
经第四1/2波片404和第三偏振分光棱镜503的调节后，第四透射光的光偏振态一致。
第四透射光经第一透镜601聚焦后由第一探测器701接收，第一探测器701接收的光信号由第一光电转换模块801转成电信号输入到第一混频器901，
S16.第一混频器901将第一光电转换模块801输出的电信号与第一高频晶振1401输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到功率放大器10，
S17.由于第一混频器901混频后的信号太小，拍频信号弱，通过功率放大器10对第一混频器901输出的混频信号进行放大，然后通过一个低通滤波器11对放大后的混频信号进行频率锁定，再通过一个射频功率探测器12对低通滤波器11输出的频率锁定的锁频信号进行探测得到频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统13，伺服反馈系统13根据频率误差信号生成频率调节信号，并将频率调节信号输入到第一从激光器2，将回泵光进行调节锁定到主激光器1对应的原子谱线锁定频率。
对于拉曼光锁相模块30，主要包括以下步骤：
S21.将主激光器1的频率锁定到原子谱线锁定频率，和前面拍频锁频模块20类似，主要利用的锁频方法是原子谱线锁频，比如调制转移谱、饱和吸收谱、兰姆凹陷等。
S22.以主激光器1锁好的频率作为标准，对第二从激光器3进行锁相。
S23.主激光器1出来的光经过第一1/2波片401后入射第一偏振分光棱镜501，利用第一1/2波片401调节第一偏振分光棱镜501的分光比，本实施例调为1:1，第一偏振分光棱镜501输出的第一透射光经过第二1/2波片402后入射第二偏振分光棱镜502，第一偏振分光棱镜401输出的第一反射光入射拉曼光锁相模块30的第六1/2波片406，进入锁相部分。
S24.第六1/2波片406调节第四偏振分光棱镜504对第一反射光的分光比，经第六1/2波片406调节后的第一反射光入射到第四偏振分光棱镜504后产生的第五透射光和第五反射光，通过调节第六1/2波片406，使得第五反射光光强最强且第五透射光光强最弱；
同时利用第五1/2波片405调节第四偏振分光棱镜504对第二从激光器3出来的第二出射光的分光比，经第四偏振分光棱镜504后产生第六透射光和第六反射光，通过调节第五1/2波片405，使得第六透射光光强最强且第六反射光光强最弱，第五反射光和第六透射光的合束。
第五反射光和第六透射光合束后生成第二合束光。
S25.第二合束光经第七1/2波片407入射第五偏振分光棱镜505，由第五偏振分光棱镜505分为第七反射光和第七透射光，经经第七1/2波片407的调节，使得第七反射光光强最弱，第七透射光光强最强。第二合束光经第七1/2波片407和第五偏振分光棱镜505调节后，形成的第七透射光的光偏振态一致。
第七透射光经第二透镜602聚焦后由第二探测器702接收，第二探测器702接收到的光信号由第二光电转换模块802转换成电信号输入到第二混频器902，
S26.第二混频器902将第二光电转换模块802输出的电信号与第二高频晶振1402输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到锁相环15，
S27.锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统16，拉曼光伺服反馈系统16根据相位误差信号生成相位调节信号，并将相位调节信号输入到第二从激光器3，从而锁定相位，锁频模块20和锁相模块30是同步进行锁定的。
本发明主要是对原子干涉仪所用到的回泵光、拉曼光进行对应的锁频和锁相，下面以87Rb作为实施例，做一具体说明。
在原子干涉仪中利用拉曼光脉冲相干操纵87Rb原子，实现频率差为6.834GHz的原子跃迁，主激光器1利用调制转移谱将频率(原子谱线锁定频率)锁定在87Rb的5S1/2F＝1→5P3/2F′＝2的跃迁峰上，这也是回泵光的跃迁峰。拉曼光从基态精细能级5S1/2F＝1跃迁到5S1/2F＝2，来实现原子干涉。
在本实施例中，主激光器1采用型号为DL Pro的外腔半导体激光器，工作波长范围778.5nm-789.4nm，采用调制转移谱将主激光器频率锁定，在波长780nm处最大输出功率90mW，电流噪声小于10μA，温控长期稳定度为0.01℃，自由运转时，激光线宽小于1MHz。
本实施例中，第一偏振分光棱镜501～第五偏振分光棱镜505为胶合型偏振分光棱镜或者光胶型偏振分光棱镜。第一1/2波片401～第六1/2波片为胶合零级波片或多级波片。
经过合束后用焦距f＝50mm的第一透镜601匹配探测器聚焦光斑，经第一探测器和第一光电转换模块将光信号转化为电信号，第一混频器901(Mini-Circuits ZX05-83-S+)将第一高稳晶振1401产生的6.8GHz标准频率和由第一光电转化模块801输出的电信号进行混频。
在回泵光锁频部分，射频功率探测器12(ZX47-40-S+)对低通滤波器11(SLP-150+)输出的频率锁定的锁频信号进行探测得到频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统13，伺服反馈系统13根据频率误差信号生成频率调节信号，并将频率调节信号输入到第一从激光器2，将回泵光进行调节锁定到主激光器1对应的原子谱线锁定频率。
在拉曼光锁相部分，锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统16，拉曼光伺服反馈系统16根据相位误差信号生成相位调节信号，并将相位调节信号输入到第二从激光器3，从而锁定相位。
图4是射频功率探测器12输出的频率误差信号的频率随电压变化的曲线。
本发明可以完成原子干涉仪中需要的同时进行回泵光锁频和拉曼光锁相的实验目的，并且使用低通滤波锁频的方案与商用鉴频器相比价格更低性价比更高，电路部分引入的元器件噪声较小，锁频稳定性好，仅受限于电子元件本身带宽锁频范围较广，获得的是线性误差反馈信号。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，包括主激光器(1)，其特征在于，主激光器(1)的频率锁定至原子谱线锁定频率，主激光器(1)输出的第一出射光经过第一1/2波片(401)后入射第一偏振分光棱镜(501)，第一偏振分光棱镜(501)输出第一透射光和第一反射光，第一透射光经过第二1/2波片(402)后入射第二偏振分光棱镜(502)，第二偏振分光棱镜(502)输出第二透射光和第二反射光，第一从激光器(2)输出的回泵光经第三1/2波片(403)后与第一透射光呈90度角入射第二偏振分光棱镜(502)，第二偏振分光棱镜(502)产生第三透射光和第三反射光，第二透射光和第三反射光合束后生成第一合束光，第一合束光经第四1/2波片(404)后入射第三偏振分光棱镜(503)，第三偏振分光棱镜(503)生成第四透射光和第四反射光，第四透射光经第一透镜(601)聚焦后由第一探测器(701)接收，第一探测器(701)接收的光信号由第一光电转换模块(801)转成电信号输入到第一混频器(901)，第一混频器(901)将第一光电转换模块(801)输出的电信号与第一高频晶振(1401)输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到功率放大器(10)，功率放大器(10)输出的信号经过低通滤波器(11)后由射频功率探测器(12)进行探测获得频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统(13)，伺服反馈系统(13)根据频率误差信号生成频率调节信号并输入到第一从激光器(2)，将回泵光的频率调节锁定到原子谱线锁定频率。
2.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，其特征在于，第一反射光经过第六1/2波片(406)入射第四偏振分光棱镜(504)后产生的第五透射光和第五反射光，第二从激光器(3)输出的第二出射光经第五1/2波片(405)后入射第四偏振分光棱镜(504)，第四偏振分光棱镜(504)产生第六透射光和第六反射光，第五反射光和第六透射光合束后生成第二合束光，第二合束光经第七1/2波片(407)入射第五偏振分光棱镜(505)，第五偏振分光棱镜(505)生成第七反射光和第七透射光，第七透射光经第二透镜(602)聚焦后由第二探测器(702)接收，第二探测器(702)接收到的光信号由第二光电转换模块(802)转换成电信号输入到第二混频器(902)，第二混频器(902)将第二光电转换模块(802)输出的电信号与第二高频晶振(1402)输出的频率参考信号进行混频，并将混频信号输出到锁相环(15)，锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统(16)，拉曼光伺服反馈系统(16)根据相位误差信号生成相位调节信号并输入到第二从激光器(3)。
3.根据权利要求2所述的一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，其特征在于，通过调节第一1/2波片(401)，使得第一反射光和第一透射光的光强为1:1；
通过调节第二1/2波片(402)，使得第二透射光光强最强且第二反射光光强最弱；
通过调节第三1/2波片(403)，使得第三透射光光强最弱且第三反射光光强最强；
通过调节第四1/2波片(404)，使得第四透射光光强最强且第四反射光光强最弱；
通过调节第六1/2波片(406)，使得第五反射光光强最强且第五透射光光强最弱；
通过调节第五1/2波片(405)，使得第六透射光光强最强且第六反射光光强最弱；
通过调节第七1/2波片(407)，使得第七反射光光强最弱且第七透射光光强最强。
4.根据权利要求2所述的一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，其特征在于，第四透射光的光偏振态一致，第七透射光的光偏振态一致。
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