CN113067244A - 一种激光稳频稳功率系统以及包括其的原子磁力仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光稳频稳功率系统，以及包括其的原子磁力仪。所述激光稳频稳功率系统包括消多普勒双色吸收稳频光路，其对所述激光器出射的激光采样并根据所述采样结果使用消多普勒双色吸收稳频装置调节所述激光的频率；声光调制稳功率光路，其对所述激光采样并根据所述采样结果使用声光调制稳功率装置调节所述激光的功率；以及光纤部，其输出所述激光。根据本发明的激光稳频稳功率系统能够在保证输出激光的频率和功率高度稳定的前提将原子磁力仪的稳频光路、稳功率光路、磁探测单元与光纤集成为可在系统之外灵活延伸的整体，同时设备的体积大幅缩小，实现了小型化和可移动化，并大大降低了成本。

Description

一种激光稳频稳功率系统以及包括其的原子磁力仪
技术领域
本发明涉及磁学领域，具体涉及一种激光稳频稳功率系统以及包括其的原子磁力仪。
背景技术
原子磁力仪是一种高灵敏度的磁场测量技术。主要原理是利用一束可以和原子超精细能级共振的特殊波段的泵浦光照射原子气室，使原子受激励；原本的热平衡态被打破而形成一定的自旋取向，产生宏观磁矩，该磁矩可在外磁场作用下发生拉莫尔共振；因此可以根据信号采样装置获取拉莫尔共振的拉莫尔频率，根据其与外磁场的正比例关系而获得外磁场的强度大小，基于此原理进行磁场测量。
泵浦光源为原子磁力仪的其中一个核心部件。现有的原子磁力仪一般选择碱金属放电灯作为泵浦光源，其虽然结构简单便携，但是存在光束线宽较宽、光谱中目标光频率之外的杂光较多的缺陷，使得原子磁力仪的性能下降，准确度较低。目前性能较佳的原子磁力仪皆采用激光作为泵浦光源。激光的优点是波长单一，可以和原子的单一能级发生共振，对原子能级的操控更加精细，同时激光可以达到很高的功率，因此得到很好的信噪比。但是激光源存在结构复杂的缺陷，比如其需要外部光路进行稳频，因此一般都需要在光学平台上搭建复杂的稳频和调整光路，难以将其集成到原子磁力仪的探头中。而在另一方面，如果使用光纤导出激光又会带来光强大幅度波动的缺陷。对此，现有技术中的原子磁力仪或者难以针对本身的光路特征进行频率、功率的高效稳定，或者整体装置体积巨大或者复杂度太高。因此现有技术中的原子磁力仪无法兼顾便利性与精确度，以及难以实现小型化，便携化和商业化。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种用于原子磁力仪的激光稳频稳功率系统，其中所述原子磁力仪包括激光器，所述激光稳频稳功率系统包括：
消多普勒双色吸收稳频光路，其对所述激光器出射的激光采样并根据所述采样结果使用消多普勒双色吸收稳频装置调节所述激光的频率；以及
声光调制稳功率光路，其对所述激光采样并根据所述采样结果使用声光调制稳功率装置调节所述激光的功率；
光纤部，其输出经过所述激光稳频稳功率系统调节的所述激光。
优选地，所述消多普勒双色吸收稳频光路采用直线型消多普勒双色吸收光路。
优选地，所述激光稳频稳功率系统的直线型消多普勒双色吸收光路包括：
第一激光光电隔离器，其用于将所述激光器输出的激光转换为第一线偏振光；
铯原子气室、第一光电探测器和第二光电探测器，其中所述第一线偏振光中的一束经过所述铯原子气室后再次分为两束并分别被所述第一光电探测器和所述第二光电探测器采样；
稳频电控单元，其根据所述第一光电探测器和第二光电探测器所采样的频率信号进行相减操作以获得误差信号，并根据所述误差信号锁定所述激光器，使其以预定频率输出所述激光。
优选地，所述激光稳频稳功率系统的声光调制稳功率光路包括：
具有微波源的声光调制器，其中所述消多普勒双色吸收稳频光路输出的激光经过所述声光调制器后衍射出零级光；
光纤耦合器，其与所述光纤部耦合，其中所述零级光依次经过所述光纤耦合器和所述光纤部并获得第二线偏振光；
第三光电探测器和激光功率稳定器，其中所述第二线偏振光中的一束被所述第三光电探测器采样并生成功率采样信号，所述激光功率稳定器根据所述功率采样信号控制所述声光调制器的所述微波源以对所述声光调制器输出的激光进行调节，并将其作为所述激光稳频稳功率系统的输出。
优选地，激光稳频稳功率系统还包括第二激光光电隔离器，所述第二激光光电隔离器布置在所述光纤耦合器之前，其能够将所述光纤耦合器产生的端面反射光隔离。
优选地，激光稳频稳功率系统的所述消多普勒双色吸收稳频光路被置于磁屏蔽壳体之中。
本申请的第二方面提供一种原子磁力仪，其包括激光器、磁探测单元、光电检测单元以及如本申请的第一方面所述的激光稳频稳功率系统；其中
所述激光稳频稳功率系统将所述激光器发射的激光进行调节并输出到所述磁探测单元。
优选地，所述光纤部与所述磁探测单元集成地布置于所述原子磁力仪的主体之外。
本发明的用于原子磁力仪的激光稳频稳功率系统能够在保证输出激光的频率和功率高度稳定的前提下采用光纤作为输出端，因此将原子磁力仪的磁探测单元与其集成为更灵活便利的探头部分，同时所选择光路设计使得设备的体积大幅缩小实现了小型化和可移动化，且成本显著降低。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1示出了根据本发明优选实施例的原子磁力仪的结构示意图；
图2示出了如图1所示的原子磁力仪的光生成单元的光路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
本发明涉及一种对泵浦激光进行稳频稳功率并且能够由光纤进行输出的系统，以及包括所述系统的原子磁力仪。该系统包括消多普勒双色吸收频率稳定子系统、声光调制激光功率稳定及光纤输出子系统两部分。消多普勒双色吸收频率稳定子系统用于对原子磁力仪泵浦光进行频率稳定，声光调制激光功率稳定及光纤输出子系统用于对原子磁力仪泵浦光进行功率稳定并对泵浦激光进行光纤输出。
图1示出了根据本发明优选实施例的原子磁力仪的结构示意图，其包括光生成单元200，磁探测单元300和光电检测单元400。其中，光生成单元200产生并输出频率与功率同时稳定的泵浦激光光束(由图1中的虚线箭头表示其传播方向)，其外部还设置有磁屏蔽壳100。磁探测单元300包括一个原子气室，磁探测单元300将所述泵浦激光引入所述原子气室并在外磁场作用下发生拉莫尔共振且具有拉莫尔频率。光电检测单元400用于检测获得该拉莫尔频率，从而计算获取该磁场的精确参数。
图2示出了图1所示的原子磁力仪的光生成单元200的光路示意图。光生成单元200包括消多普勒双色吸收频率稳定光路1、光纤部2-7和声光调制激光功率稳定光路2，其中光纤部2-7布置在声光调制激光功率稳定光路2之中。其中，消多普勒双色吸收频率稳定光路1将光束分为两束，第一束用于消多普勒双色吸收稳频，第二束进入声光调制激光功率稳定光路2实现功率稳定；第二束光通过声光调制激光功率稳定光路2并通过光纤部2-7后被继续分为两束，一束作为最终输出，用于输出频率和功率均稳定且光斑能量分布均匀的激光，另一束进入声光调制激光功率系统进行反馈以对功率进行稳定。
所述消多普勒双色吸收频率稳定光路1采用直线型消多普勒双色吸收光路，其用于根据泵浦光的消多普勒双色吸收特征，通过电控单元1-14对泵浦激光器1-1的频率进行锁定。具体光路流程为：泵浦激光器1-1输出的激光，经过第一激光光电隔离器(ISO)1-2转换为线偏振光，线偏振光通过1:9分光片1-3分为两束，一束进入声光调制激光功率稳定光路2，另一束依次经由铯原子气室1-4，衰减片1-5，偏振片1-6，由第一反射镜1-7反射后沿原光路返回1:9分光片1-3，此后1:9分光片1-3将泵浦激光再次分为两束，一束弃用，另一束经由第二反射镜1-8，第一半玻片(λ/2玻片)1-9，四分之一玻片(λ/4玻片)1-10进入偏振分束器(PBS)1-11后分为两束，分别进入第一光电探测器(PD)1-12，第二光电探测器(PD)1-13实现消多普勒双色吸收，经由稳频电控单元1-14对泵浦激光器1-1的频率进行锁定，从而实现泵浦激光器1-1所出射的泵浦激光的频率的稳定。
声光调制激光功率稳定光路2根据在该光路2中所采样的光功率信号，通过驱动微波电路对该光路2进行调制，从而实现该光路2最终输出的泵浦激光的功率稳定。具体光路流程为：由消多普勒双色吸收频率稳定光路1中的1:9分光片1-3分出的一束泵浦光，经过第三反射镜2-1、第二半波片(λ/2波片)2-2、声光调制器(AOM)2-3后衍射出两束光，其中声光调制器出射的一级光舍弃，零级光经过第四反射镜2-4，第二激光光电隔离器(ISO)2-5进入光纤耦合器2-6，其中第二激光光电隔离器(ISO)2-5能够将光纤耦合器2-6产生的端面反射光隔离；光纤部2-7的输入端连接到所述光纤耦合器2-6，其输出端连接到激光扩束准直镜2-8；经过光纤耦合器2-6并经过光纤部2-7输出的激光再经过激光扩束准直镜2-8，格兰泰勒棱镜2-9获得线偏振光，经过5:5分光片2-10将激光分为两束，一束线偏振光进入第三光电探测器(PD)2-11用于对泵浦激光的光功率进行采样，采样的光电流信号被激光功率稳定器(NoiseEater)2-12接收，其根据所述光电流信号控制声光调制器(AOM)的微波源2-13，从而对声光调制器(AOM)2-3进行调制，实现激光器功率的稳定；光路2由此反馈方法稳定后，经过5:5分光片2-10的另一束线偏振光则得到一个频率和功率均稳定且能量分布均匀，边界陡峭的光斑输出，即光生成单元200的最终输出的泵浦激光。
在本实施例中，发明人发现，现有技术中虽然存在多种对光路频率进行稳定的技术路线，但其均依托于现有技术中的大型实验设备，并不利于原子磁力仪的小型化且高精度化这一目的。同时，现有技术的大部分稳频率手段均存在缺点，没有针对原子磁力仪的工作特征进行任何特定改进。例如，饱和吸收频率稳定光路的信号在锁频点附近是一个对称的偶函数，即“吸收谱”，其本身无法直接作为反馈信号，而是需要对激光管的工作电流施加一个调制电流，将“吸收峰”90°相位变换后变成奇函数“色散峰”后才能作为反馈信号。而加入的调制电流将给输出激光的功率带来一定的抖动(约1％～0.1％)。在现有技术对激光功率的稳定性要求不高的时候，此抖动可以忽略。但在现有的原子磁力仪中，发明人的实验结果显示该抖动对最终输出信号带来的影响显著且无法消除。然而，经反复研究，发明人认为本实施例所选用的“消多普勒双色吸收频率稳定光路”具有以下适于原子磁力仪的优点：
首先其具备较高的精确度，且由于其不需要加入额外的调制信号就可以利用两路双色谱的减法直接得到奇函数“色散谱”，因此避免了调制电流对激光输出功率带来抖动并导致测试精度降低的缺点。其次，消多普勒双色吸收频率稳定光路的设计可以做到较为紧凑，有利于进一步通过实际设计降低设备总体大小。
根据以上思路，在多次实验中发明人进一步发现，在消多普勒双色吸收频率稳定光路中，消多普勒双色吸收谱容易受到外界磁场的干扰，由于该原子磁力仪的工作环境处于磁场中，因此发明人在消多普勒双色吸收频率稳定光路的器件外增加了磁屏蔽外壳101，从而消除磁场的干扰的不利点，进一步提高了测量精度。此外，该磁屏蔽外壳101也可以布置在所述光生成单元001整体的外部。
虽然消多普勒双色吸收谱方法在激光频率变化幅度较大的情况下存在劣势，但在根据本实施例的原子磁力仪中，原始出射的泵浦激光的频率并不需要大幅度变化，因此该方法应用在本申请所述的原子磁力仪中几乎不受影响。根据本申请的设计方法规避了其常规认知中的劣势且发挥了其长处。其光路简单，无需额外的调制信号仪器，对激光功率要求低，自动补捕获范围大且不容易失锁。
在本实施例中，发明人通过将光路布置为首先通过稳频光路以使得激光被锁定在预定的频率，然后将其引入稳功率光路以使得激光功率被调节到预定的功率值范围。如果上述光路次序进行对调，将激光先调节稳定到预定的功率值范围再引入稳频光路进行频率的锁定，稳频光路会干扰影响已经被稳功率的激光，使其在所述预定功率值范围附近波动。因此根据本实施例这样的布置次序提高了装置总体精确度，避免了稳频光路对稳功率光路作用效果潜在的的干扰。但是在其他根据本申请的变形中，也可以将稳功率光路和稳频光路根据其他设计需求例如对空间结构的要求进行对调，其仍能够输出一定范围内的稳频稳功率激光束，并不脱离本发明的范围。
同样，在本实施例中，发明人经过反复研究，确定了根据声光调制法稳定激光功率的发明思路。其出发点在于声光调制法所使用的压电晶体的频率响应非常快，常规质量的压电晶体已经可以达到2MHz的响应频率，而进一步利用电光晶体还可以达到更高的响应频率，因此在本专利中，利用声光调制法可以压制DC～25kHz以内的光功率噪声，同时其噪声抑制比能够提高到100以上，仅仅受限于感光元件本底噪声，因此通过更换更高规格的感光元件还可以进一步提升测试精度。而其它现有技术中的方法则响应较慢，例如，常规的液晶吸光法，采用的是液晶在外电压变化下其液晶分子的取向随电压变化导致的透过率变化得原理，其响应速度一般为几百Hz，响应最快的液晶也只能达到5kHz，同时这种快速响应的液晶器件造价很高，难以规模化和商业化。因此利用液晶法一般只能压制约DC～1kHz的噪声。
由于综合采用了消多普勒双色吸收频率稳定光路1和声光调制激光功率稳定光路2，本实施例所例举的原子磁力仪实现了由长度可调节的光纤输出泵浦激光到磁探测单元，并同时保证了泵浦激光的频率和功率的稳定性，消除了光纤输出带来的弊端，提高了激光输出准确度。由此，光纤输出端与磁探测单元集成为探头，无需依托体积较大的光学平台，而是以较小的集成探头延伸到任意磁探测所需位置。同时跟据本实施例的原子磁力仪中，消多普勒双色吸收频率稳定光路1和声光调制激光功率稳定光路2的集成设计使得各个器件更为集成和紧凑，增加了设计装配的便利度，压缩了设备的总体积。其设备体积小到约小型电脑机箱大小，而现有技术中类似精度的原子磁力仪体积更接近小型车辆，本实施例的原子磁力仪因此便携且由单人即可移动或操作，能够在户外、水下或其他多种空间内展开测量。
此外本实施例通过设置激光光电隔离器(ISO)2-5将光纤耦合器2-6产生的端面反射光隔离以改进其测试精度。
本领域技术人员在本发明构思的基础上可以对本发明实施例中的部件、参数等进行适当调整，基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，很容易对某些具体实施方式及应用范围做些改动或调整，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (8)

1.一种用于原子磁力仪的激光稳频稳功率系统，其中所述原子磁力仪包括激光器，其特征在于，所述激光稳频稳功率系统包括：
消多普勒双色吸收稳频光路，其对所述激光器出射的激光采样并根据所述采样结果使用消多普勒双色吸收稳频装置调节所述激光的频率；以及
声光调制稳功率光路，其对所述激光采样并根据所述采样结果使用声光调制稳功率装置调节所述激光的功率；
光纤部，其输出经过所述激光稳频稳功率系统调节的所述激光。
2.根据权利要求1所述的激光稳频稳功率系统，其特征在于，所述消多普勒双色吸收稳频光路采用直线型消多普勒双色吸收光路。
3.根据权利要求2所述的稳频稳功率系统，其特征在于，所述直线型消多普勒双色吸收光路包括：
第一激光光电隔离器，其用于将所述激光器输出的激光转换为第一线偏振光；
铯原子气室、第一光电探测器和第二光电探测器，其中所述第一线偏振光中的一束经过所述铯原子气室后再次分为两束并分别被所述第一光电探测器和所述第二光电探测器采样；
稳频电控单元，其根据所述第一光电探测器和第二光电探测器所采样的频率信号进行相减操作以获得误差信号，并根据所述误差信号锁定所述激光器，使其以预定频率输出所述激光。
4.根据权利要求1-3任一项所述的激光稳频稳功率系统，其特征在于，所述声光调制稳功率光路包括：
具有微波源的声光调制器，其中所述消多普勒双色吸收稳频光路输出的激光经过所述声光调制器后衍射出零级光；
光纤耦合器，其与所述光纤部耦合，其中所述零级光依次经过所述光纤耦合器和所述光纤部并获得第二线偏振光；
第三光电探测器和激光功率稳定器，其中所述第二线偏振光中的一束被所述第三光电探测器采样并生成功率采样信号，所述激光功率稳定器根据所述功率采样信号控制所述声光调制器的所述微波源以对所述声光调制器输出的激光进行调节，并将其作为所述激光稳频稳功率系统的输出。
5.根据权利要求4所述的激光稳频稳功率系统，其特征在于，还包括第二激光光电隔离器，所述第二激光光电隔离器布置在所述光纤耦合器之前，其能够将所述光纤耦合器产生的端面反射光隔离。
6.根据权利要求1所述的激光稳频稳功率系统，其特征在于，所述消多普勒双色吸收稳频光路被置于磁屏蔽壳体之中。
7.一种原子磁力仪，其包括激光器、磁探测单元、光电检测单元以及如权利要求1-6任一项所述的激光稳频稳功率系统；其中
所述激光稳频稳功率系统将所述激光器发射的激光进行调节并输出到所述磁探测单元。
8.根据权利要求7所述的原子磁力仪，其特征在于，所述光纤部与所述磁探测单元集成地布置于所述原子磁力仪的主体之外。
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