CN112366515A - 一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，属于精密激光光谱技术、激光稳频技术和精密计量标准技术领域。本发明的装置主要由激光模块、分束模块、双向扩束系统、四波混频发生模块、外调制模块、光电探测模块、电混频模块、伺服控制模块组成。本发明通过结合调制转移光谱稳频技术和塞曼移频技术，引入自制的双向扩束系统，能够避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声；充分发挥调制转移谱稳频技术消除多普勒背景和高信噪比的优势，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围；通过引入双向扩束系统能够提高探测信号信噪比，减小饱和增宽效应，使谱线变窄，实现窄线宽、低本底、外调制、高信噪比、高频率稳定度稳频。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，属于精密激光光谱技术、激光稳频技术和精密计量标准技术领域。
背景技术
在冷原子干涉仪和精密激光光谱实验中，激光是与原子相互作用的直接介质，需要利用激光实现对原子冷却与陷俘并操控原子团。其中涉及到的关键技术如原子激光冷却技术、冷原子俘获技术、原子再泵浦技术及激光干涉技术，在这些关键技术中均需要操控激光的频率，获得高精度、高稳定度频率的激光是首要条件。在冷原子干涉中往往选用外腔式半导体激光器(ECDL)作为激光系统基本光源。但是商用ECDL光束频率稳定度并不能满足超精密冷原子干涉仪的使用需求，激光受工作温度和二极管电流影响较大，自由运转状态下激光频率一天内可能漂移数GHz，因此对激光稳频是一项关键且不可或缺的技术。
根据是否借助外界参考频率标准，稳频技术分为主动稳频和被动稳频。被动稳频通过消除外界因素如温湿度稳定度、振动、磁场等因素的影响来消除部分频移，但是经过被动稳频后的激光频率稳定度只能达到10-7量级，不满冷原子干涉仪使用需求。主动稳频技术通过借助外界高稳频率参考源，通过鉴频得到激光频率和高稳参考源的频差误差信号，经过控制系统反馈给激光器频率调节端口实现频率锁定。本发明涉及一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置属于主动稳频技术范畴。常用的主动稳频技术有饱和吸收谱稳频技术、双色谱稳频技术、PDH稳频技术等，饱和吸收谱稳频技术引入了内调制，直接将调制加到了激光器的光栅反馈角上，引入了内调制噪声造成了频率展宽；双色谱稳频技术是在饱和吸收谱的基础上引入塞曼调制而产生的，频率捕捉范围较大，但是这种技术对锁定点的零点要求度高，若没锁定在零点，稳频误差信号对功率抖动敏感，容易失锁，长期稳定性差。PDH稳频技术通过调频光谱技术将激光器频率稳定至光学谐振腔，会引入价格昂贵的法珀腔，光路实现也进一步复杂，不利于冷原子干涉仪应用小型化。
发明内容
为突破传统稳频技术原子跃迁谱线信噪比低及多普勒背景严重的瓶颈，避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声，本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置要解决的技术问题是：将激光器的频率锁定到铷原子的超精细跃迁谱线上，在稳频的同时还能进行塞曼移频，显著提高装置使用灵活性，能够实现激光器窄线宽、高频率稳定度的稳频；具有结构简单、频率稳定性高、易于小型化的特点。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法，通过结合调制转移光谱稳频技术和塞曼移频技术，并引入自制的双向扩束系统，突破传统稳频技术原子跃迁谱线信噪比低及多普勒背景严重的瓶颈，避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声；充分发挥调制转移谱稳频技术消除多普勒背景和高信噪比的优势，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围；通过引入双向扩束系统能够提高探测信号信噪比，减小饱和增宽效应，使谱线变窄，实现窄线宽、低本底、外调制、高信噪比、高频率稳定度稳频。
本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，主要由激光模块、分束模块、双向扩束系统、四波混频发生模块、外调制模块、光电探测模块、电混频模块、伺服控制模块组成。
激光模块出射光经过分束模块进行分束，主要用于调节激光器出射光功率的分配比，经过分束模块的二分之一波片和偏振分光棱镜后，分为两束光，一束大部分功率的激光作为主要输出部分，主要用于冷原子干涉仪；另一束小部分功率的激光mW量级，主要用于激光调制转移光谱稳频，进而将激光器的频率稳定到铷原子超精细跃迁谱线上。用于稳频的激光经过分束模块的二分之一波片和偏振分光棱镜后，分为两束光，一束光作为探测光直接通过双向扩束系统和四波混频发生模块，另一束光作为泵浦光经过外调制模块和双向扩束系统及反射镜后与探测光在铷原子蒸汽池中完全重合，泵浦光将调制信息转移到探测光上后被探测模块接收，通过凸透镜将光束聚焦到光电探测器的光电感应部分，将光拍频信号转换成电信号，经过直流偏置放大器TIA实现直流部分滤除后并完成射频放大，放大后的信号与调制信号共同输入电混频模块，再经过低通滤波后得到稳频误差信号，调节频率参考信号的相位用于改变误差信号的形状和斜率，误差信号最终由伺服控制模块反馈控制激光模块实现激光稳频，将激光器输出的激光频率锁定到铷原子的超精细跃迁谱线上。
所述激光模块包括外腔半导体激光器、激光隔离器。所述分束模块包括二分之一波片、偏振分光棱镜、二分之一波片、偏振分光棱镜。所述四波混频发生模块包括四分之一波片、铷原子蒸汽池、四分之一波片。所述外调制模块包括电光调制器、参考频率源。所述反射镜包括反射镜、反射镜。所述探测模块包括凸透镜、光电探测器、直流偏置放大器TIA。
作为优选，通过引入自制双向扩束系统，扩展探测光和泵浦光光束，增强激光与原子相互作用的光束密度，谱线变窄，减小饱和增宽效应，提高误差信号信噪比。
作为优选，所述调制转移光谱有一个过零的背景，不受多普勒展宽的影响，用于彻底消除多普勒背景对锁频的影响。
作为优选，在铷原子蒸汽池外侧缠有线圈，用于稳频的激光通过四分之一波片、后将线偏振光转换为圆偏振光，在磁场的作用下发生塞曼分裂，使谱线发生频移，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围，使装置使用灵活性提高；
作为优选，在铷原子蒸汽池周围缠有加热带，增加铷原子与激光作用的数量，提高误差信号的信噪比；
作为优选，误差信号通过伺服控制模块将信号反馈给激光模块，反馈信号分为低频信号和高频信号，低频信号反馈外腔半导体激光器压电陶瓷控制端口，高频信号反馈到激光器电控控制端口。通过对激光器压电陶瓷作用实现慢速反馈，通过对外腔半导体激光器电流作用实现快速反馈。
有益效果：
1、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，通过结合调制转移光谱稳频技术和塞曼移频技术，并引入自制的双向扩束系统，突破传统稳频技术原子跃迁谱线信噪比低及多普勒背景严重的瓶颈，避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声；本发明能够充分发挥调制转移谱稳频技术消除多普勒背景和高信噪比的优势，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围，使装置使用灵活性提高；本发明通过引入双向扩束系统能够提高探测信号信噪比，减小饱和增宽效应，谱线变窄。本发明能够同时实现激光器窄线宽和频率锁定，具有结构简单、频率稳定性高、易于小型化的特点。
2、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，主动稳频技术主要是通过借助外界高稳频率参考源，通过鉴频得到激光频率和高稳参考源的频差误差信号，经过控制系统反馈给激光器频率调节端口实现频率锁定，激光频率稳定度秒稳可达10-13，激光线宽可达10kHz量级。
3、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，所述调制转移光谱有一个过零的背景，不受多普勒展宽的影响，用于彻底消除多普勒背景对锁频的影响。
4、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，在铷原子蒸汽池外侧缠有线圈，用于稳频的激光通过四分之一波片、后将线偏振光转换为圆偏振光，在磁场的作用下发生塞曼分裂，使谱线发生频移，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围，使装置使用灵活性提高；在铷原子蒸汽池周围缠有加热带，增加铷原子与激光作用的数量，提高误差信号的信噪比。
5、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法及装置，可广泛应用于冷原子干涉仪、冷原子钟、激光原子冷却、高分辨率激光光谱、量子存储精密测量领域。
附图说明
图1是、本发明公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置正视图。
其中：1—外腔半导体激光器、2—激光隔离器、3—二分之一波片、4—偏振分光棱镜、5—二分之一波片、6—偏振分光棱镜、7—双向扩束系统、8—四分之一波片、9—铷原子蒸汽池、10—四分之一波片、11—偏振分光棱镜、12—反射镜、13—电光调制器、14—反射镜、15—双向扩束系统、16—反射镜、17—凸透镜、18—光电探测器、19—直流偏置放大器(TIA)、20—移相器、21—参考频率源、22—电混频器、23—低通滤波器、24—PID伺服控制系统。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法，通过结合调制转移光谱稳频技术和塞曼移频技术，并引入自制的双向扩束系统，突破传统稳频技术原子跃迁谱线信噪比低及多普勒背景严重的瓶颈，避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声；充分发挥调制转移谱稳频技术消除多普勒背景和高信噪比的优势，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围；通过引入双向扩束系统能够提高探测信号信噪比，减小饱和增宽效应，使谱线变窄，实现窄线宽、低本底、外调制、高信噪比、高频率稳定度稳频。
实施例2：
如图1所示，本实施例公开的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，由激光模块、分束模块、双向扩束系统、四波混频发生模块、外调制模块、光电探测模块、电混频模块、伺服控制模块组成。
所述激光模块包括外腔半导体激光器1、激光隔离器2。所述分束模块包括二分之一波片3、偏振分光棱镜4、二分之一波片5、偏振分光棱镜6。所述四波混频发生模块包括四分之一波片8、铷原子蒸汽池9、四分之一波片10。所述外调制模块包括电光调制器13、参考频率源21。所述反射镜包括反射镜14、反射镜16。所述探测模块包括凸透镜17、光电探测器18、直流偏置放大器TIA19。
外腔半导体激光器1出射光经过激光隔离器2出射，能够避免激光反射造成对激光二极管的损伤。出射光经过半波片3和偏振分光棱镜4后，分为两束光，大部分功率的激光作为主要输出部分，主要用于冷原子干涉仪；小部分功率的激光mW量级，主要用于激光调制转移光谱稳频，进而将激光器的频率稳定到铷原子超精细跃迁谱线上。用于稳频的激光经过半波片5和偏振分光棱镜6后，分为两束光，一束光作为探测光直接通过双向扩束系统7完成扩束，扩束后的线偏振光经过四分之一波片8形成圆偏振光，在磁场的作用下，圆偏振光发生塞曼频移，圆偏振光再通过四分之一波片10转换为线偏振光，入射进缠有磁场线圈和加热带的铷原子蒸汽池；另一束光作为泵浦光经过电光调制器13由反射镜14入射进扩束系统15，再通过反射镜16和偏振分光棱镜11反向入射进铷原子蒸汽池，与探测光发生四波混频效应，输出光拍频信号被反射镜12和凸透镜17入射进光电探测器18，将光拍频信号转换成电信号，经过直流偏置放大器TIA19实现直流部分滤除后并完成射频放大，放大后的信号与调制信号共同输入电混频模块22，再经过低通滤波器23后得到稳频误差信号，调节频率参考信号21的相位能够改变误差信号的形状和斜率，误差信号最终由伺服控制模块24反馈控制激光模块1、2实现激光稳频，即实现窄线宽、低本底、外调制、高信噪比、高频率稳定度稳频。
通过引入自制双向扩束系统7、15，扩展探测光和泵浦光光束，增强激光与原子相互作用的光束密度，谱线变窄，减小饱和增宽效应，提高误差信号信噪比。
所述调制转移光谱有一个过零的背景，不受多普勒展宽的影响，用于彻底消除多普勒背景对锁频的影响。
在铷原子蒸汽池9外侧缠有线圈，用于稳频的激光通过四分之一波片8、10后将线偏振光转换为圆偏振光，在磁场的作用下发生塞曼分裂，使谱线发生频移，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围，使装置使用灵活性提高；
在铷原子蒸汽池9周围缠有加热带，增加铷原子与激光作用的数量，提高误差信号的信噪比；
误差信号通过伺服控制模块24将信号反馈给激光模块，反馈信号分为低频信号和高频信号，低频信号反馈外腔半导体激光器1压电陶瓷控制端口，高频信号反馈到激光器电控控制端口。通过对激光器压电陶瓷作用实现慢速反馈，通过对外腔半导体激光器1电流作用实现快速反馈。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频方法，其特征在于：通过结合调制转移光谱稳频技术和塞曼移频技术，并引入自制的双向扩束系统，突破传统稳频技术原子跃迁谱线信噪比低及多普勒背景严重的瓶颈，避免对激光器直接加调制而带来的附加噪声；充分发挥调制转移谱稳频技术消除多普勒背景和高信噪比的优势，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围；通过引入双向扩束系统能够提高探测信号信噪比，减小饱和增宽效应，使谱线变窄，实现窄线宽、低本底、外调制、高信噪比、高频率稳定度稳频。
2.一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：主要由激光模块、分束模块、双向扩束系统、四波混频发生模块、外调制模块、光电探测模块、电混频模块、伺服控制模块组成；
激光模块出射光经过分束模块进行分束，主要用于调节激光器出射光功率的分配比，经过分束模块的二分之一波片(3)和偏振分光棱镜(4)后，分为两束光，一束大部分功率的激光作为主要输出部分，主要用于冷原子干涉仪；另一束小部分功率的激光(mW量级)，主要用于激光调制转移光谱稳频，进而将激光器的频率稳定到铷原子超精细跃迁谱线上；用于稳频的激光经过分束模块的二分之一波片(5)和偏振分光棱镜(6)后，分为两束光，一束光作为探测光直接通过双向扩束系统(7)和四波混频发生模块，另一束光作为泵浦光经过外调制模块和双向扩束系统(15)及反射镜后与探测光在铷原子蒸汽池(9)中完全重合，泵浦光将调制信息转移到探测光上后被探测模块接收，通过凸透镜(17)将光束聚焦到光电探测器(18)的光电感应部分，将光拍频信号转换成电信号，经过直流偏置放大器TIA(19)实现直流部分滤除后并完成射频放大，放大后的信号与调制信号共同输入电混频模块(22)，再经过低通滤波(23)后得到稳频误差信号，调节频率参考信号(21)的相位用于改变误差信号的形状和斜率，误差信号最终由伺服控制模块(24)反馈控制激光模块实现激光稳频，将激光器输出的激光频率锁定到铷原子的超精细跃迁谱线上。
3.如权利要求2所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：所述激光模块包括外腔半导体激光器(1)、激光隔离器(2)；所述分束模块包括二分之一波片(3)、偏振分光棱镜(4)、二分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)；所述四波混频发生模块包括四分之一波片(8)、铷原子蒸汽池(9)、四分之一波片(10)；所述外调制模块包括电光调制器(13)、参考频率源(21)；所述反射镜包括反射镜(14)、反射镜(16)；所述探测模块包括凸透镜(17)、光电探测器(18)、直流偏置放大器TIA(19)。
4.如权利要求2或3所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：通过引入自制双向扩束系统(7、15)，扩展探测光和泵浦光光束，增强激光与原子相互作用的光束密度，谱线变窄，减小饱和增宽效应，提高误差信号信噪比。
5.如权利要求2或3所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：所述调制转移光谱有一个过零的背景，不受多普勒展宽的影响，用于彻底消除多普勒背景对锁频的影响。
6.如权利要求2或3所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：在铷原子蒸汽池(9)外侧缠有线圈，用于稳频的激光通过四分之一波片(8、10)后将线偏振光转换为圆偏振光，在磁场的作用下发生塞曼分裂，使谱线发生频移，通过引入塞曼移频能够大范围增加稳频装置锁定频率范围，使装置使用灵活性提高。
7.如权利要求2或3所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：在铷原子蒸汽池(9)周围缠有加热带，增加铷原子与激光作用的数量，提高误差信号的信噪比。
8.如权利要求2或3所述的一种用于冷原子干涉仪的双向扩束稳频装置，其特征在于：误差信号通过伺服控制模块(24)将信号反馈给激光模块，反馈信号分为低频信号和高频信号，低频信号反馈外腔半导体激光器(1)压电陶瓷控制端口，高频信号反馈到激光器电控控制端口；通过对激光器压电陶瓷作用实现慢速反馈，通过对外腔半导体激光器(1)电流作用实现快速反馈。
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- 2020-11-16 CN CN202011280308.8A patent/CN112366515B/zh active Active
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