CN112834056B - 一种用于冷原子干涉仪的激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于冷原子干涉仪的激光系统，包括激光器单元、稳频单元、调制放大单元和移频分束单元，所述调制放大单元设置在激光器单元的激光输出方向上，所述移频分束单元设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述稳频单元设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，稳频单元的信号输出端与激光器单元的信号输入端相连。本发明基于单激光光源，通过优化设计光路系统，结合快速频率和偏振控制，实现了冷原子干涉仪所需激光频率、功率的高效输出，是一种小型化、低成本、高稳定的用于冷原子干涉仪的激光系统。
Description
技术领域
本发明属于原子精密测量领域，涉及一种激光系统，尤其是用于冷原子干涉仪的激光系统。
背景技术
冷原子干涉仪基于物质波干涉，是一种新型的高精度测量仪器。由于冷原子能级结构稳定、自由演化时间较长、德布罗意波长较短，因此在精密测量中，原子干涉仪具有极高的测量精度，展现出了极大的发展潜力。
近年来，冷原子干涉技术及其应用发展迅速，基于原子干涉技术的精密测量展现了极大地潜力。冷原子重力仪、冷原子重力梯度仪，冷原子陀螺仪等精密测量仪器，在惯性测量、地质勘探、地球物理等众多领域开始展现其优越性。随着光学器件的发展和原子操控技术的进步，冷原子干涉惯性测量技术正逐步从实验室研究向实用化、工程化迈进。在可搬移冷原子干涉仪中，激光系统作为实现原子捕获、态制备和操控的关键，其稳定性和光功率及偏振稳定性需满足实验要求。
由于冷原子干涉仪需要冷却光、吹走光、探测光、再泵浦光、拉曼光等7种不同频率的激光，且需要按照时序实时开启和关闭，因此对激光系统功率、偏振、频率控制和开关控制要求极高。在传统的冷原子干涉仪激光系统中，使用多台激光器分别提供不同频率的激光，通过搭建复杂的光路实现激光的移频开关、功率控制以及分束合束。在可搬移冷原子干涉仪中，激光系统的小型化和集成化极为重要。过多的激光光源、复杂的光路系统会降低激光系统稳定性和环境适应性，不利于原子干涉仪的工程化应用。因此，减少激光器使用、合理设计光路系统、使用小型化元器件是实现小型化、集成化激光系统的重要手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种小型化、低成本、高稳定的用于冷原子干涉仪的激光系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种用于冷原子干涉仪的激光系统，包括激光器单元、稳频单元、调制放大单元和移频分束单元，所述调制放大单元设置在激光器单元的激光输出方向上，所述移频分束单元设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述稳频单元设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，稳频单元的信号输出端与激光器单元的信号输入端相连。
而且，所述激光器单元包括激光器和光隔离器，所述光隔离器设置在激光器的激光输出方向上，在光隔离器的激光输出方向上设置调制放大单元，所述激光器的信号输入端与稳频单元的输出端相连。
而且，所述调制放大单元包括第一电光调制器和激光放大器，所述第一光电调制器和激光放大器分别设置在激光器单元的激光输出方向上，在激光放大器的激光输出方向上设置移频分束单元。
而且，所述移频分束单元包括第三反射镜、第三λ/2波片、第三偏振分束棱镜、第四反射镜、第一聚焦透镜、第二声光调制器、第二聚焦透镜、机械开关、第五反射镜、第六反射镜、液晶延迟器、第四偏振分束棱镜、液晶延迟器和第五偏振分束棱镜，所述第三反射镜设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述第三λ/2波片和第三偏振分束棱镜依次设置在第三反射镜的激光反射方向上，所述稳频单元设置在第三分束棱镜的第一次激光反射方向上；所述第四反射镜设置在第三偏振棱镜的激光透射方向上，所述第一聚焦透镜、第二声光调制器、第二聚焦透镜、依次设置在第四反射镜的激光反射方向上；所述第二声光调制器输出的负一级衍射光和零级衍射光均通过第二聚焦透镜，所述机械开关设置在第二聚焦透镜的零级衍射光输出方向上，所述第五反射镜设置在机械开关的激光输出方向上，所述第六反射镜设置在第二聚焦透镜的负一级衍射光的输出方向上，所述第一液晶延迟器和第四偏振分束棱镜依次设置在第三偏振分束棱镜的第二次激光反射方向上，所述第二液晶延迟器和第五偏振分束棱镜依次设置在第四偏振分束棱镜的激光反射方向上。
而且，所述第五反射镜垂直于通过机械开关的零级衍射光设置，所述第六反射镜垂直于透过第二聚焦透镜的负一级衍射光设置。
而且，所述稳频单元包括第一声光调制器、第一λ/2波片、第一偏振分束棱镜、第二λ/2波片、第二偏振分束棱镜、第一反射镜、第二电光调制器、信号发生器、λ/4波片、第二反射镜、原子气室、合束镜、光电探测器、信号放大器、混频器和反馈控制器，所述第一声光调制器设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，所述第一λ/2波片和第一偏振分束棱镜依次设置在第一声光调制器的负一级衍射光输出方向上，所述第二λ/2波片和第二偏振分束棱镜依次设置在第一偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述原子气室、合束镜及光电探测器依次设置在第二偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述第一反射镜设置在第二偏振分束棱镜的激光透射方向上，所述第二电光调制器、λ/4波片及第二反射镜依次设置在第一反射镜的激光反射方向上，所述合束镜位于第二反射镜的激光反射方向上，所述信号放大器的信号输入端与光电探测器的信号输出端相连，所述信号放大器的信号输出端与混频器的第一信号输入端相连，所述混频器的第二信号输入端与信号发生器的第一信号输出端相连，所述信号发生器的第二信号输出端与第二光电调制器的信号输入端相连，所述混频器的信号输出端与反馈控制器的信号输入端相连，所述反馈控制器的信号输出端与激光器单元相连。
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明使用最少的调频和移频器件，实现了系统激光频率的产生和精确控制，极大个减少了光路使用的光学元器件数量。
2.本发明除拉曼光1、拉曼光2由第二声光调制器双次穿过衍射一级光提供外，所有激光都由第二声光调制器零级光分时提供，实现了激光功率的最大化利用，降低系统功率需求，有利于工程化应用。
3.本发明通过液晶延迟器控制激光偏振，在原子干涉的不同时段对不同功能的激光进行分束，实现了系统激光的分时输出，同时代替机械开关，提升了系统稳定性。
4.本发明通过电光调制器的频率跳变控制、声光调制器的快速移频开关、机械开关和液晶延迟器的偏振控制的配合实现整个激光系统的频率、功率控制和不同功能的激光分束。
附图说明
图1为本发明的框架图。
图2为本发明的光路图。
图3为稳频单元的光路图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于冷原子干涉仪的激光系统，如图1所示，包括激光器单元、稳频单元、调制放大单元和移频分束单元，所述调制放大单元设置在激光器单元的激光输出方向上，所述移频分束单元设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述稳频单元设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，稳频单元的信号输出端与激光器单元的信号输入端相连。所述激光器单元用于产生激光系统所需频率和一定功率的激光光源，作为整个系统种子激光；调制放大单元对种子激光进行频率调制后通过光功率放大，产生两种不同频率的高功率激光；稳频单元为整个激光系统提供频率锁定，保证系统频率稳定；移频分束单元将激光按照不同功能进行移频、分束，并实现快速开关和输出，用于冷原子干涉仪敏感装置，以87Rb冷原子干涉仪为例，实验中所需不同功能的激光，包括冷却光、拉曼光1、拉曼光2、再泵浦光、探测光、吹走光1、吹走光2共7种。冷却光频率负失谐于87Rb原子52S1/2,F＝2-52P3/2,F’＝3跃迁线约15MHz；探测光频率共振于52S1/2,F＝2-52P3/2,F’＝3跃迁，用于探测原子干涉荧光信号；再泵浦光共振于52S1/2,F＝1-52P3/2,F’＝2跃迁，用以将处于52S1/2,F＝1态的原子泵浦到52P3/2,F’＝2态上，提高原子捕获效率；吹走光1与再泵浦光频率相同，在进行原子选态过程中，将剩余的F＝1,mF≠0的原子吹走；吹走光2与探测光频率相同，在原子选态过程中，用于将剩余的F＝2,mF≠0的原子吹走。拉曼光1和拉曼光2用于实现冷原子干涉，两束激光频差为6.834GHz，通过双光子跃迁耦合52S1/2,F＝1-52S1/2,F＝2的能级跃迁，为两束激光均远失谐于52S1/2-52P3/2的跃迁约700MHz。
如图2所示为本发明的激光系统光路图，所述激光器单元包括激光器101和光隔离器102，所述激光器的信号输入端与稳频单元的输出端相连，所述光隔离器设置在激光器的激光输出方向上，在光隔离器的激光输出方向上设置调制放大单元。
所述调制放大单元包括第一电光调制器201和激光放大器202，所述第一光电调制器和激光放大器分别设置在光隔离器的激光输出方向上，在激光放大器的激光输出方向上设置移频分束单元。
所述移频分束单元包括第三反射镜401、第三λ/2波片402、第三偏振分束棱镜403、第四反射镜404、第一聚焦透镜405、第二声光调制器406、第二聚焦透镜407、机械开关408、第五反射镜409、第六反射镜410、第一液晶延迟器411、第四偏振分束棱镜412、第二液晶延迟器413和第五偏振分束棱镜414，所述第三反射镜设置在激光放大器的激光输出方向上，所述第三λ/2波片和第三偏振分束棱镜依次设置在第三反射镜的激光反射方向上，所述稳频单元设置在第三分束棱镜的第一次激光反射方向上；所述第四反射镜设置在第三偏振棱镜的激光透射方向上，所述第一聚焦透镜、第二声光调制器、第二聚焦透镜、机械开关和第五反射镜依次设置在第四反射镜的激光反射方向上，所述第二声光调制器输出的负一级衍射光和零级衍射光均通过第二聚焦透镜，负一级衍射光和零级衍射光通过第二聚焦透镜后变为平行光，所述机械开关设置在第二聚焦透镜的零级衍射光输出方向上，所述第五反射镜设置在机械开关的激光输出方向上，所述第六反射镜设置在第二聚焦透镜的负一级衍射光的输出方向上，所述第五反射镜垂直于通过机械开关的零级衍射光设置，所述第六反射镜垂直于透过第二聚焦透镜的负一级衍射光设置。所述第一液晶延迟器和第四偏振分束棱镜依次设置在第三偏振分束棱镜的第二次激光反射方向上，所述第二液晶延迟器和第五偏振分束棱镜依次设置在第四偏振分束棱镜的激光反射方向上。
所述稳频单元如图3所示，包括第一声光调制器301、第一λ/2波片302、第一偏振分束棱镜303、第二λ/2波片304、第二偏振分束棱镜305、第一反射镜306、第二电光调制器307、信号发生器308、λ/4波片309、第二反射镜310、原子气室311、合束镜312、光电探测器313、信号放大器314、混频器315和反馈控制器316，所述第一声光调制器设置在第三偏振分束棱镜的第一次激光反射方向上，所述第一λ/2波片和第一偏振分束棱镜依次设置在第一声光调制器的负一级衍射光输出方向上，所述第二λ/2波片和第二偏振分束棱镜依次设置在第一偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述原子气室、合束镜及光电探测器依次设置在第二偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述第一反射镜设置在第二偏振分束棱镜的激光透射方向上，所述第二电光调制器、λ/4波片及第二反射镜依次设置在第一反射镜的激光反射方向上，所述合束镜位于第二反射镜的激光反射方向上，所述信号放大器的信号输入端与光电探测器的信号输出端相连，所述信号放大器的信号输出端与混频器的第一信号输入端相连，所述混频器的第二信号输入端与信号发生器的第一信号输出端相连，所述信号发生器的第二信号输出端与第二光电调制器的信号输入端相连，所述混频器的信号输出端与反馈控制器的信号输入端相连，所述反馈控制器的信号输出端与激光器的信号输入端相连。
本发明的工作原理为：
所述激光系统由激光器单元输出激光经电光调制器进行GHz级频率调制，产生边带，以提供系统中拉曼光1和拉曼光2所需的频率差，并通过频率跳变控制技术实现冷却光和再泵浦光、探测光和再泵浦光、吹走光1和吹走光2等不同频差激光的频率控制。调制后的激光经激光放大器放大，产生足够功率的激光，经移频分束单元分束后，小部分激光用于搭建稳频光谱，通过频率调制转移光谱进行频率锁定；另外的激光双次穿过声光调制器进行移频，零级光光路通过机械开关控制，负一级衍射光通过声光调制光开关进行开关。双次穿过出射激光经液晶延迟器进行偏振控制，通过偏振分束棱镜进行分束，结合电光调制器调制、声光调制器移频、开关和机械开关功能，将各激光分束输出。整个激光系统的频率稳定通过调制转移光谱锁定在52S1/2,F＝1-52P3/2,F’＝1，2交叉线上。
本发明的具体光路传输为：
780nm激光器出射激光经光隔离器后，通过电光调制器对激光频率进行调制，产生6-7GHz的边带信号。经激光放大放大后，产生足够功率的激光。放大后激光通过第三反射镜反射，再经第三λ/2波片和第三偏振分束棱镜分束，少量反射激光用于搭建稳频单元；透射激光经第四反射镜反射后，通过第一聚焦透镜聚焦进入第二声光调制器进行移频，第二声光调制器射频调制频率约为350MHz，调制后产生负一级衍射光与零级光，负一级衍射光与零级光均通过第二聚焦透镜，通过第二聚焦透镜的零级光通过机械开关控制激光开关；通过机械开关的领激光经第五反射镜反射后经原光路返回，通过第二聚焦透镜的负一级衍射光经第六反射镜反射后经原光路返回，返回的负一级衍射光和零级光再次进行声光调制，经第三偏振分束棱镜向右反射，经第一液晶延迟器和第四偏振分束棱镜进行分光，透射光作为拉曼光出射(包含拉曼光1和拉曼光2)，反射光经第二液晶延迟器和第五偏振分束棱镜再次进行分光，透射光作为冷却光和再泵浦光，反射光作为探测光和吹走光1、吹走光2。
在稳频单元中，激光经第一声光调制器调制，产生负一级衍射光，调制频率为78.5MHz，负一级衍射光通过第一λ/2波片和第一偏振分束棱镜进行分束，第一偏振分束棱镜的反射光作为探测光通过第二λ/2波片和第二偏振分束棱镜进行分束，第二偏振分束棱镜的反射光经原子气室和合束镜进入光电探测器，第二偏振分束棱镜的透射光经第一反射镜反射进入第二电光调制器调制后，再经λ/4波片、第二反射镜和合束镜作为泵浦光与探测光在原子气室中重合，电光相位调制频率为12.5MHz，由信号发生器提供。光电探测器接收的光谱信号经信号放大器放大后与信号发生器输出12.5MHz的参考信号通过混频器进行混频，再经反馈控制器反馈控制激光器。
本发明的系统频率及开关控制为：
在原子捕获阶段，第一电光调制器调制频率约为6.583GHz，第一声光调制器调制频率约78.5MHz，第二声光调制器关断，机械开关开启，第一液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，第二液晶延迟器给定电压使激光为P偏振，给出冷却光和再泵浦光。
在原子偏振梯度冷却阶段，第一电光调制器调制频率约为6.583-6.683GHz，第一声光调制器调制频率约78.5MHz，第二声光调制器关断，机械开关开启，第一液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，第二液晶延迟器给定电压使P偏振激光功率跳变降低。
在原子选态阶段，第一电光调制器调制频率约为6.599GHz/6.468GHz，第一声光调制器调制频率约110MHz/78.5MHz。第二声光调制器关断，机械开关开启，第一液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，第二液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，给出吹走光1和吹走光2。
在原子干涉阶段，第一电光调制器调制频率约为6.834GHz，第一声光调制器调制频率约78.5MHz，第二声光调制器调制频率约为400MHz，机械开关关断，第一液晶延迟器给定电压使激光为P偏振，作为拉曼光由第四偏振分束棱镜透射端输出。
在原子探测阶段，采用双态探测，第一电光调制器调制频率约为6.568GHz，第一声光调制器调制频率约78.5MHz。第二声光调制器关断，机械开关开启，第一液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，第二液晶延迟器给定电压使激光为S偏振，给出探测光和再泵浦光(双态探测中泵浦原子)。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于冷原子干涉仪的激光系统，其特征在于：包括激光器单元、稳频单元、调制放大单元和移频分束单元，所述调制放大单元设置在激光器单元的激光输出方向上，所述移频分束单元设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述稳频单元设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，稳频单元的信号输出端与激光器单元的信号输入端相连；
所述移频分束单元包括第三反射镜、第三λ/2波片、第三偏振分束棱镜、第四反射镜、第一聚焦透镜、第二声光调制器、第二聚焦透镜、机械开关、第五反射镜、第六反射镜、液晶延迟器、第四偏振分束棱镜、液晶延迟器和第五偏振分束棱镜，所述第三反射镜设置在调制放大单元的激光输出方向上，所述第三λ/2波片和第三偏振分束棱镜依次设置在第三反射镜的激光反射方向上，所述稳频单元设置在第三分束棱镜的第一次激光反射方向上；所述第四反射镜设置在第三偏振棱镜的激光透射方向上，所述第一聚焦透镜、第二声光调制器、第二聚焦透镜、依次设置在第四反射镜的激光反射方向上；所述第二声光调制器输出的负一级衍射光和零级衍射光均通过第二聚焦透镜，所述机械开关设置在第二聚焦透镜的零级衍射光输出方向上，所述第五反射镜设置在机械开关的激光输出方向上，所述第六反射镜设置在第二聚焦透镜的负一级衍射光的输出方向上，所述第一液晶延迟器和第四偏振分束棱镜依次设置在第三偏振分束棱镜的第二次激光反射方向上，所述第二液晶延迟器和第五偏振分束棱镜依次设置在第四偏振分束棱镜的激光反射方向上；
所述第五反射镜垂直于通过机械开关的零级衍射光设置，所述第六反射镜垂直于透过第二聚焦透镜的负一级衍射光设置。
2.根据权利要求1所述的用于冷原子干涉仪的激光系统，其特征在于：所述激光器单元包括激光器和光隔离器，所述光隔离器设置在激光器的激光输出方向上，在光隔离器的激光输出方向上设置调制放大单元，所述激光器的信号输入端与稳频单元的输出端相连。
3.根据权利要求1所述的用于冷原子干涉仪的激光系统，其特征在于：所述调制放大单元包括第一电光调制器和激光放大器，所述第一电光 调制器和激光放大器分别设置在激光器单元的激光输出方向上，在激光放大器的激光输出方向上设置移频分束单元。
4.根据权利要求1所述的用于冷原子干涉仪的激光系统，其特征在于：所述稳频单元包括第一声光调制器、第一λ/2波片、第一偏振分束棱镜、第二λ/2波片、第二偏振分束棱镜、第一反射镜、第二电光调制器、信号发生器、λ/4波片、第二反射镜、原子气室、合束镜、光电探测器、信号放大器、混频器和反馈控制器，所述第一声光调制器设置在移频分束单元的分束激光输出方向上，所述第一λ/2波片和第一偏振分束棱镜依次设置在第一声光调制器的负一级衍射光输出方向上，所述第二λ/2波片和第二偏振分束棱镜依次设置在第一偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述原子气室、合束镜及光电探测器依次设置在第二偏振分束棱镜的激光反射方向上，所述第一反射镜设置在第二偏振分束棱镜的激光透射方向上，所述第二电光调制器、λ/4波片及第二反射镜依次设置在第一反射镜的激光反射方向上，所述合束镜位于第二反射镜的激光反射方向上，所述信号放大器的信号输入端与光电探测器的信号输出端相连，所述信号放大器的信号输出端与混频器的第一信号输入端相连，所述混频器的第二信号输入端与信号发生器的第一信号输出端相连，所述信号发生器的第二信号输出端与第二光电调制器的信号输入端相连，所述混频器的信号输出端与反馈控制器的信号输入端相连，所述反馈控制器的信号输出端与激光器单元相连。
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