CN112083358A - 一种用于serf超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，主要包括普勒原子二向色性激光稳频系统和激光频率监控光路系统两部分。通过增加由声光调制后的一束抽运光，反向进入碱金属气室，在消除多普勒效应的同时实现一定的频率失谐，并对激光频率进行实时监控。本发明光路布局合理，结构紧凑，操作简单，在解决SERF量子传感系统在需要失谐频率下激光器频率稳定的问题的同时，还消除了探测光的多普勒效应，为实现SERF超高灵敏磁场测量装置的精确、稳定测量提供了基础。

Description

一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，尤其涉及一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统。
背景技术
量子精密极弱磁场测量是量子精密测量的一个重要发展方向，对基础物理学研究、计量基准、生命科学、脑科学、空间科学与地质科学等多个领域具有重要意义。
当自旋交换率足够快，并且外磁场趋向于零时，自旋交换弛豫机制可以被充分抑制甚至关闭，此时原子处于无自旋交换弛豫状态。基于无自旋交换弛豫(SERF)原子磁场测量装置是目前低频灵敏度最高的一种。相比其它种类的原子磁强计，SERF原子磁场测量装置实现了在高原子密度条件下对自旋交换弛豫的充分抑制，从而解决了原子密度与原子自旋横向弛豫时间之间的矛盾，因而可以大大提升灵敏度。
原子自旋极化率的稳定性直接影响到SERF超高灵敏原子自旋惯性和磁场测量标度因素的稳定性，而半导体激光器对原子自旋的光抽运是实现超高灵敏原子自旋惯性磁场测量的前提。半导体激光器的频率会直接影响激光与原子的相互作用，通常没有经过特殊的稳频手段处理、自由运转1h的半导体激光器频率可以达到GHz量级，而实现高灵敏度的SERF极弱磁场测量所需要求的激光频率稳定度要达到MHz量级，还要实现一定失谐激光频率稳定。基于此，需要发明一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，以解决半导体激光器抽运碱金属原子激光频率不稳定的现象，在消除多普勒效应的同时且能保证一定的失谐频率。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，解决了现有被用于解决SERF量子传感系统在需要失谐频率下激光器频率稳定的问题。该激光稳频光路系统是基于传统的原子二向色性激光稳频系统的一个改进，主要包括原子二向色性激光稳频系统和激光频率监控光路系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，包括可调谐无多普勒原子二向色性激光稳频系统和激光频率监控光路系统两部分；
所述可调谐无多普勒原子二向色性激光稳频系统包括外腔半导体抽运激光器、抽运激光光电隔离器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、PID控制单元、恒温箱、第一吸收池、第一四分之一波片、第四偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一反射镜、第三偏振分光棱镜、饱和吸收频率参考单元、钾原子气室、分光棱镜、第四反射镜、第二光电探测器、差分放大器和数据采集单元；
其中，外腔半导体抽运激光器输出的激光通过抽运激光光电隔离器转换为线偏振光，进行光束整形扩束后，由第一偏振分光棱镜分为两束，第一束进入饱和吸收频率参考单元，作为频率稳定参考，第二束由第二偏振分光棱镜再次分为两束，第一束进入缠绕线圈的钾原子气室和恒温箱，第二束经由第三偏振分光棱镜再次将光束分为两束，第一束进入激光频率监控光路系统，第二束进行频率偏移，然后将线偏振光变成圆偏振光，产生偏移的一级光经过第一反射镜沿入射返回，再将圆偏振光变成线偏振光，经过分光棱镜进行分光，一束进入第一吸收池吸收，另一束进入缠绕线圈的钾原子气室和恒温箱，从而消除由第二偏振分光棱镜分出的第一光束进行饱和吸收的多普勒展宽；
从第二偏振分光棱镜分出的第一束光束看作由强度相同、旋转方向相反的两束正交圆偏振光组成，通过第一四分之一波片和第四偏振分光棱镜将第二偏振分光棱镜分出的第一束光束分成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，其中一束直接进入第一光电探测器，另外一束经第四反射镜进入第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器将光信号转化为电压信号并通过差分放大器做差后，通过数据采集单元将反馈信号送入PID控制单元，PID控制单元与外腔半导体抽运激光器连接，从而控制激光输出频率；
所述激光频率监控光路系统包括第二反射镜、氦氖激光器和波长计；
其中，由第三偏振分光棱镜分出的第一束光束，经过第二反射镜的反射，进入波长计，测得激光频率；同时，氦氖激光器发出的光束也进入波长计，作为频率参考，由数据采集单元采集数据，从而实现实时监控激光频率的波动。
进一步地，从第二偏振分光棱镜分出的第一束光束分成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，当磁场为零时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不产生频移，在此条件下吸收光谱是重合的；当磁场不为零时，由于塞曼效应，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发态下的原子跃迁方向相反，使左旋和右旋光谱信号位置产生相向偏移。
进一步地、和第二光学透镜和第一二分之一波片；线偏振光的光束整形扩束通过第一光学透镜和第二光学透镜实现，然后经过第一二分之一波片，再由第一偏振分光棱镜分为两束。
进一步地，所述第二偏振分光棱镜之前安装有第二二分之一波片，第一偏振分光棱镜分出的第二束光束先经过第二二分之一波片再由第二偏振分光棱镜分为两束。
进一步地，第三偏振分光棱镜分出的第二束光束进行频率偏移通过声光调制器实现。
进一步地，声光调制器之后安装有凸透镜和第二四分之一波片，所述将线偏振光变成圆偏振光以及将圆偏振光变成线偏振光均通过第二四分之一波片实现，凸透镜用于调整光束角度。
进一步地，频率偏移后得到产生偏移的一级光和未产生频率偏移的零级光，所述未产生频率偏移的零级光被第二吸收池吸收。
进一步地，第一反射镜返回的光束通过凸透镜和第三反射镜调整角度后入射到分光棱镜。
进一步地，波长计之前安装有光纤，光束均通过光纤耦合进入波长计。
进一步地，所述超高灵敏磁场的磁场测量灵敏度在-T/Hz/量级。
本发明的有益效果：本发明解决了SERF超高灵敏磁场测量装置的激光器频率波动的问题，通过增加由声光调制器进行一定频率调制后的一束抽运光，反向进入碱金属气室，在消除探测光束多普勒展宽效应的同时保证一定范围内的频率失谐，使得激光频率稳定在远离原子共振线附近。本发明还通过PID控制单元将采集到的频率误差信号进行处理并控制半导体激光器输入电流大小，实现了整体系统激光频率的闭环稳定控制。此外，本发明结构紧凑，操作简单，还能对激光频率波动情况进行实时监控。
附图说明
图1为本发明用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统结构示意图；
图中，1为外腔半导体抽运激光器，2为抽运激光光电隔离器，3为第一光学透镜，4为第二光学透镜，5为第一二分之一波片，6为第一偏振分光棱镜，7为第二二分之一波片，8为第二偏振分光棱镜，9为PID控制单元，10为恒温箱，11为第一吸收池，12为第一四分之一波片，13为第四偏振分光棱镜，14为第一光电探测器，15为第一反射镜，16为第二吸收池，17为第二四分之一波片，18为凸透镜，19为声光调制器，20为第三偏振分光棱镜，21为第二反射镜，22为氦氖激光器，23为光纤，24为高精度波长计，25为饱和吸收频率参考单元，26为钾原子气室，27为分光棱镜，28为第三反射镜，29为第四反射镜，30为第二光电探测器，31为差分放大器，32为数据采集单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面结合附图以及具体实施方法进一步对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明实施例提供一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，所述超高灵敏磁场的磁场测量灵敏度在10-18T/Hz1/2量级，包括可调谐无多普勒原子二向色性激光稳频系统和激光频率监控光路系统两部分；本发明的具体实施结构如图1所示。用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统包括外腔半导体抽运激光器1、抽运激光光电隔离器2、第一光学透镜3、第二光学透镜4、第一二分之一波片5、第一偏振分光棱镜6、第二二分之一波片7、第二偏振分光棱镜8、PID控制单元9、恒温箱10、第一吸收池11、第一四分之一波片12、第四偏振分光棱镜13、第一光电探测器14、第一反射镜15、第二吸收池16、第二四分之一波片17、凸透镜18、声光调制器19、第三偏振分光棱镜20、第二反射镜21、氦氖激光器22、光纤23、高精度波长计24、饱和吸收频率参考单元25、钾原子气室26、分光棱镜27、第三反射镜28、第四反射镜29、第二光电探测器30、差分放大器31和数据采集单元32；
其中，原子二向色性激光稳频系统具体为：本发明实施例中采用的是Newfocus外腔半导体抽运激光器，型号为TLB-6923-P，中心波长为770.108nm，工作时，外腔半导体抽运激光器1输出的质量较好的空间激光，经过抽运激光光电隔离器2转换为线偏振光，再由第一光学透镜3(焦距f＝50)和第二光学透镜4(焦距f＝50)将其进行扩束，扩束后的线偏振光垂直入射到第一二分之一波片5，调节第一偏振分光棱镜6将激光分为两束，一束以45°角反射进入饱和吸收频率参考单元25，作为频率稳定参考，另一束直接透射，垂直入射到第二二分之一波片7，并以45°角入射到第二偏振分光棱镜8的偏振分光面，将抽运激光再次分为两束，一束经由缠绕线圈的钾原子气室26，通过控制线圈来改变产生的磁场大小，并控制恒温箱10来保证钾原子气室恒定的一个环境温度；另一束光又以45°角入射到第三偏振分光棱镜20的偏振分光面上，再次将抽运光束分为两束，一束进入激光频率监控光路系统，另一束通过声光调制器19，进行频率偏移，经过第二四分之一波片17将线偏振光变成圆偏振光，利用第二吸收池16将未产生频率偏移的零级光吸收，调整第一反射镜15的反射角，可将产生偏移的一级光沿着入射方向返回，经过第二四分之一波片17，又变成线偏振光，经过凸透镜18和第三反射镜28入射到分光棱镜27进行分光。一束进入第一吸收池11吸收，另一束进入缠绕线圈的钾原子气室26和恒温箱10，从而消除由第二偏振分光棱镜8分出的经由缠绕线圈的钾原子气室26的光束进行饱和吸收产生的多普勒展宽，这束光可以看作由强度相同、旋转方向相反的两束正交圆偏振光组成，在磁场的作用下会发生塞曼效应，再通过第一个四分之一波片12和第四个偏振分光棱镜13将光束变成圆偏振光束并分成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，当磁场为零时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不产生频移，在此条件下吸收光谱是重合的；当磁场不为零时，由于塞曼效应，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发态下的原子跃迁方向相反，使左旋和右旋光谱信号位置产生相向偏移。左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束中的一束直接垂直入射到第一光电探测器14上，另一束经第四反射镜29反射90°进入第二光电探测器30，差分放大器31将第一光电探测器14和第二光电探测器30转化的电压信号做差分处理后，送入数据采集单元32，再将反馈信号送入PID控制单元9，PID控制单元9与外腔半导体抽运激光器1连接，形成一个闭环稳定控制，通过调节PID的参数值，从而控制激光输出频率，实现对激光发生装置输出的激光频率的锁定，以解决SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频问题。
激光频率监控光路系统具体为由第三偏振分光棱镜20分出的一束光束，经过第二反射镜21的反射通过光纤23耦合进入高精度波长计24，测得这束激光频率。同时，氦氖激光器22发出的光束经光纤23耦合也进入高精度波长计24，作为频率参考，由数据采集单元32采集数据，从而实现实时监控激光频率的波动。所述高精度波长计24采用德国Highfinesse公司生产的WS-7高精度波长计。
最后需要指出，本发明并不限于SERF超高灵敏磁场测量装置，也可以是诸如光抽运铷束原子钟、激光冷却原子等其他量子传感系统，都可以通过本发明，提高激光器的稳频效果，实现装置性能的提升。
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。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，包括可调谐无多普勒原子二向色性激光稳频系统和激光频率监控光路系统两部分；
所述可调谐无多普勒原子二向色性激光稳频系统包括外腔半导体抽运激光器、抽运激光光电隔离器、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、PID控制单元、恒温箱、第一吸收池、第一四分之一波片、第四偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一反射镜、第三偏振分光棱镜、饱和吸收频率参考单元、钾原子气室、分光棱镜、第四反射镜、第二光电探测器、差分放大器和数据采集单元；
其中，外腔半导体抽运激光器输出的激光通过抽运激光光电隔离器转换为线偏振光，进行光束整形扩束后，由第一偏振分光棱镜分为两束，第一束进入饱和吸收频率参考单元，作为频率稳定参考，第二束由第二偏振分光棱镜再次分为两束，第一束进入缠绕线圈的钾原子气室和恒温箱，第二束经由第三偏振分光棱镜再次将光束分为两束，第一束进入激光频率监控光路系统，第二束进行频率偏移后将线偏振光变成圆偏振光，产生偏移的一级光经过第一反射镜沿入射返回，再将圆偏振光变成线偏振光，经过分光棱镜进行分光，一束进入第一吸收池吸收，另一束进入缠绕线圈的钾原子气室和恒温箱，从而消除由第二偏振分光棱镜分出的第一光束进行饱和吸收的多普勒展宽；
从第二偏振分光棱镜分出的第一束光束看作由强度相同、旋转方向相反的两束正交圆偏振光组成，通过第一四分之一波片和第四偏振分光棱镜将第二偏振分光棱镜分出的第一束光束分成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，其中一束直接进入第一光电探测器，另外一束经第四反射镜进入第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器将光信号转化为电压信号并通过差分放大器做差后，通过数据采集单元将反馈信号送入PID控制单元，PID控制单元与外腔半导体抽运激光器连接，从而控制激光输出频率；
所述激光频率监控光路系统包括第二反射镜、氦氖激光器和波长计；
其中，由第三偏振分光棱镜分出的第一束光束，经过第二反射镜的反射，进入波长计，测得激光频率；同时，氦氖激光器发出的光束也进入波长计，作为频率参考，由数据采集单元采集数据，从而实现实时监控激光频率的波动。
2.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，从第二偏振分光棱镜分出的第一束光束分成左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，当磁场为零时，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光不产生频移，在此条件下吸收光谱是重合的；当磁场不为零时，由于塞曼效应，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光激发态下的原子跃迁方向相反，使左旋和右旋光谱信号位置产生相向偏移。
3.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于、第二光学透镜和第一二分之一波片；线偏振光的光束整形扩束通过第一光学透镜和第二光学透镜实现，然后经过第一二分之一波片，再由第一偏振分光棱镜分为两束。
4.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，所述第二偏振分光棱镜之前安装有第二二分之一波片，第一偏振分光棱镜分出的第二束光束先经过第二二分之一波片再由第二偏振分光棱镜分为两束。
5.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，第三偏振分光棱镜分出的第二束光束进行频率偏移通过声光调制器实现。
6.根据权利要求5所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，声光调制器之后安装有凸透镜和第二四分之一波片，所述将线偏振光变成圆偏振光以及将圆偏振光变成线偏振光均通过第二四分之一波片实现，凸透镜用于调整光束角度。
7.根据权利要求5所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，频率偏移后得到产生偏移的一级光和未产生频率偏移的零级光，所述未产生频率偏移的零级光被第二吸收池吸收。
8.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，第一反射镜返回的光束通过凸透镜和第三反射镜调整角度后入射到分光棱镜。
9.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，波长计之前安装有光纤，光束均通过光纤耦合进入波长计。
10.根据权利要求1所述的一种用于SERF超高灵敏磁场测量装置的激光稳频系统，其特征在于，所述超高灵敏磁场的磁场测量灵敏度在10-18T/Hz1/2量级。
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