CN113471807A - 一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统 - Google Patents

一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统 Download PDF

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CN113471807A CN202111022064.8A CN202111022064A CN113471807A CN 113471807 A CN113471807 A CN 113471807A CN 202111022064 A CN202111022064 A CN 202111022064A CN 113471807 A CN113471807 A CN 113471807A
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Abstract

本发明涉及一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,使用高、低速双光强反馈控制环路稳定拉曼光脉冲功率,高速反馈环采用高速模拟PID反馈控制单元与高响应带宽第一AOM驱动单元相结合,以实现高带宽的持续激光强度反馈控制,从而抑制拉曼光的高频强度噪声;低速反馈环部分采用低速数字PID反馈控制单元,以实现每一实验周期进行一次PID反馈运算。反馈运算结果用于控制拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器的射频信号强度,从而用于抑制光纤耦合效率变化所带来的低频拉曼光脉冲强度漂移同时也起着产生拉曼光脉冲的作用;有效解决了冷原子干涉仪中拉曼光脉冲功率主动稳定的难题,提升了冷原子干涉仪的短期灵敏度与长期测量精度。

Description

一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统
技术领域
本发明涉及冷原子干涉精密测量技术领域,尤其涉及一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统。
背景技术
近年来冷原子干涉技术被广泛应用于精密测量物理和基础物理研究,并取得了丰硕成果。利用冷原子干涉技术实现了重力加速度、重力梯度、地球转动等惯性量的高精度测量。冷原子干涉仪的基本工作原理为:冷原子团在拉曼激光脉冲序列的作用下发生干涉;重力加速度使得冷原子团的干涉路径发生偏折,从而原子感受到拉曼激光的相对相位发生变化,这使得原子干涉所得正弦曲线的相位发生移动;实验上通过测量上述相位移动即可精确反推出重力加速度的数值。如果在空间不同位置上放置两个冷原子干涉仪同时测量同一方向的重力加速度,并将测量得到的重力加速度进行差分运算,则可得到该方向的重力梯度值。
由于冷原子干涉仪中原子内态由拉曼光脉冲所操控,因此拉曼光脉冲的功率稳定性直接影响干涉仪测量结果的稳定性。通常拉曼光脉冲持续时间在10μs左右,而传统单反馈环路功率稳定方案很难实现如此短时间的脉冲功率稳定。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题,提供一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,有效解决了冷原子干涉仪中拉曼光脉冲功率稳定的难题;很好的抑制了原子干涉仪测量过程中拉曼脉冲强度不稳定所带来的相位噪声;本方案结构简单可靠,对PID电路和整个反馈环路的带宽要求相对较低。
根据本发明的第一方面,提供了一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,包括:拉曼光发生单元10、高速反馈环1和低速反馈环2;所述拉曼光发生单元10输出拉曼光依次经过所述高速反馈环1和低速反馈环2;
所述高速反馈环1包括:第一声光调制器20、第一分光平片30、第一光电探测器80、高速模拟PID反馈控制单元110和第一AOM驱动单元70;
输入所述第一声光调制器20的所述拉曼光发生衍射,被所述第一分光平片30分光后一部分输出至所述第一光电探测器80,另一部分输出至所述低速反馈环2;所述光电探测器80将光信号转换为电信号输出至所述高速模拟PID反馈控制单元110;所述高速模拟PID反馈控制单元110的输出信号输入所述第一AOM驱动单元70,控制输入给所述第一声光调制器20的射频信号强度,使所述第一声光调制器20输出抑制了高频强度噪声的拉曼光,经所述第一分光平片30分光后输出至所述低速反馈环2;
所述低速反馈环2包括:第二声光调制器40、第二分光平片60、第二光电探测器100、低速数字PID反馈控制单元120和第二AOM驱动单元90;
输入所述第二声光调制器40的拉曼光发生衍射,被所述第二分光片60分光后一部分输出至所述第二光电探测器100,另一部分输出作为所述拉曼光脉冲功率稳定系统的输出;所述第二光电探测器100将光信号转换为电信号后输出至所述低速数字PID反馈控制单元120;所述低速数字PID反馈控制单元120每个实验周期进行一次数字PID运算,并将运算结果反馈给所述第二AOM驱动单元90,控制下一实验周期中拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器40的射频信号强度,使所述第二声光调制器40输出抑制了低频光强飘动的拉曼光,并经所述第二分光平片60分光后输出至所述拉曼光脉冲功率稳定系统外部。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以作出如下改进。
可选的,所述拉曼光发生单元10包括依次排列的激光器101、第一半波片102、高消光比偏振分束镜103、第二半波片104和电光调制器105;
所述激光器101输出的激光通过所述第一半波片102调整偏振方向后经过所述高消光比偏振分束镜103滤偏,滤偏后的激光再经过所述第二半波片104后输入所述电光调制器105产生拉曼光。
可选的,所述第一声光调制器20和第一分光平片30之间设置有第一挡光片11;
输入所述第一声光调制器20的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光输出至所述第一分光平片30,其0级光被所述第一挡光片11遮挡。
可选的,所述第一AOM驱动单元70包括:第一DDS射频信号源701、混频器702和第一射频功放703;
所述第一DDS射频信号源701产生一固定强度的射频信号,输入至所述混频器702的LO端;
所述高速模拟PID反馈控制单元110的输出信号输入至所述混频器702的IF端,使所述混频器702的RF端输出一个强度受所述高速模拟PID反馈控制单元110控制的第一射频信号;
所述第一射频信号经所述第一射频功放703放大后输入至所述第一声光调制器20,从而反馈控制所述第一声光调制器20输出的衍射光强度。
可选的,所述第二声光调制器40和第二分光平片60之间设置有光纤单元50。
可选的,所述第二声光调制器40与所述第二分光平片60之间还设置有第二挡光片21;所述光纤单元50包括:输入端光纤耦合器22、光纤23和输出端光纤耦合器24;
所述输入至所述第二声光调制器40的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光依次经过所述输入端光纤耦合器22、光纤23和输出端光纤耦合器24后输出,其0级光被所述第二挡光片21遮挡。
可选的,所述第二AOM驱动单元90包括:第二DDS射频信号源901和第二射频功放902;
所述低速数字PID反馈控制单元120输出的数字信号控制所述第二DDS射频信号源901输出信号强度,所述第二DDS射频信号源901的输出信号被所述第二射频功放902放大后输出至所述第二声光调制器40,反馈控制所述第二声光调制器40输出的拉曼光脉冲强度。
本发明提供的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,创新性的使用高、低速双光强反馈控制环路稳定拉曼光脉冲功率,高速反馈环采用高速模拟PID反馈控制单元与高响应带宽第一AOM驱动单元相结合,以实现高带宽的持续激光强度反馈控制,从而抑制拉曼光的高频强度噪声;被抑制了高频强度噪声的拉曼光紧接着进入低速反馈环部分,低速反馈环部分采用低速数字PID反馈控制单元以实现每一实验周期进行一次PID反馈运算。反馈运算结果用于控制拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器的射频信号强度,从而用于抑制光纤耦合效率变化所带来的低频拉曼光脉冲强度漂移同时也起着产生拉曼光脉冲的作用;有效解决了冷原子干涉仪中拉曼光脉冲功率主动稳定的难题,提升了冷原子干涉仪的短期灵敏度与长期测量精度。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统的实施例的结构框图;
图2为本发明提供的一种拉曼光发生单元的实施例的结构框图;
图3为本发明提供的一种高速反馈环的实施例的部分光路图;
图4为本发明提供的第一AOM驱动单元的实施例的结构框图;
图5为本发明提供的一种低速反馈环的实施例的部分光路图;
图6为本发明提供的第二AOM驱动单元的实施例的结构框图;
附图中,各标号所代表的部件列表如下:
1、高速反馈环,11、第一挡光片;2、低速反馈环,21、第二挡光片,22、输入端光纤耦合器,23、光纤,24、输出端光纤耦合器;10、拉曼光发生单元,101、激光器,102、第一半波片,103、高消光比偏振分束镜,104、第二半波片,105、电光调制器;20、第一声光调制器;30、第一分光平片;40、第二声光调制器;50、光纤单元;60、第二分光平片;70、第一AOM驱动单元,701、第一DDS射频信号源,702、混频器,703、第一射频功放;80、第一光电探测器;90、第二AOM驱动单元,901、第二DDS射频信号源,902、第二射频功放;100、第二光电探测器;110、高速模拟PID反馈控制单元;120、低速数字PID反馈控制单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明提供的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统的实施例的结构框图,如图1所示,该拉曼光脉冲功率稳定系统包括:拉曼光发生单元10、高速反馈环1和低速反馈环2;拉曼光发生单元10输出拉曼光依次经过高速反馈环1和低速反馈环2。
高速反馈环1包括:第一声光调制器20、第一分光平片30、第一光电探测器80、高速模拟PID(Proportional-Integral-Derivative Controller,比例、积分、微分控制器)反馈控制单元110和第一AOM驱动单元70。
输入第一声光调制器20的拉曼光发生衍射,被第一分光平片30分光后一部分输出至第一光电探测器80,另一部分输出至低速反馈环2;光电探测器80将光信号转换为电信号输出至高速模拟PID反馈控制单元110;高速模拟PID反馈控制单元110的输出信号输入第一AOM(Acousto-Optic Modulator,声光调制器)驱动单元70,控制输入给第一声光调制器20的射频信号强度,使第一声光调制器20输出抑制了高频强度噪声的拉曼光,经第一分光平片30分光后输出至低速反馈环2;具体的,本发明提供的实施例中,第一分光平片30的透射光输出至低速反馈环2,反射光进入第一光电探测器80。
低速反馈环2包括:第二声光调制器40、第二分光平片60、第二光电探测器100、低速数字PID反馈控制单元120和第二AOM驱动单元90。
输入第二声光调制器40的拉曼光发生衍射,被第二分光片60分光后一部分输出至第二光电探测器100,另一部分输出作为拉曼光脉冲功率稳定系统的输出;第二光电探测器100将光信号转换为电信号后输出至低速数字PID反馈控制单元120;低速数字PID反馈控制单元120每个实验周期进行一次数字PID运算,并将运算结果反馈给第二AOM驱动单元90,控制下一实验周期中拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器40的射频信号强度,使第二声光调制器40输出抑制了低频光强飘动的拉曼光,并经第二分光平片60分光后输出至拉曼光脉冲功率稳定系统外部。每个实验周期中,通过开关输入给第二声光调制器40的射频信号从而产生拉曼光脉冲。每次开启脉冲的射频功率强度由低速数字PID反馈控制单元120给出。
具体的,本发明提供的实施例中,第二分光片60的透射光输出至低速反馈环2,反射光进入第二光电探测器100。
本发明提供的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,有效解决了冷原子干涉仪中拉曼光脉冲功率稳定的难题;很好的抑制了原子干涉仪测量过程中拉曼脉冲强度不稳定所带来的相位噪声;本方案结构简单可靠,对PID电路和整个反馈环路的带宽要求相对较低。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统的实施例,结合图2可知,该实施例包括:
拉曼光脉冲功率稳定系统包括:拉曼光发生单元10、高速反馈环1和低速反馈环2;拉曼光发生单元10输出拉曼光依次经过高速反馈环1和低速反馈环2。
在一种可能的实施例方式中,如图2所示为本发明提供的一种拉曼光发生单元的实施例的结构框图,结合图1和图2可知,拉曼光发生单元10包括依次排列的激光器101、第一半波片102、高消光比偏振分束镜103、第二半波片104和电光调制器105。
激光器101输出的激光通过第一半波片102调整偏振方向后经过高消光比偏振分束镜103滤偏,滤偏后的激光再经过第二半波片104后输入电光调制器105产生拉曼光。
高速反馈环1包括:第一声光调制器20、第一分光平片30、第一光电探测器80、高速模拟PID反馈控制单元110和第一AOM驱动单元70。
输入第一声光调制器20的拉曼光发生衍射,被第一分光平片30分光后一部分输出至第一光电探测器80,另一部分输出至低速反馈环2;光电探测器80将光信号转换为电信号输出至高速模拟PID反馈控制单元110;高速模拟PID反馈控制单元110的输出信号输入第一AOM驱动单元70,控制输入给第一声光调制器20的射频信号强度,使第一声光调制器20输出抑制了高频强度噪声的拉曼光,经第一分光平片30分光后输出至低速反馈环2。
拉曼光输入图1中高速反馈环1,高速反馈环1用于抑制激光的高频强度噪声,在一种可能的实施例方式中,如图3所示为本发明提供的一种高速反馈环的实施例的部分光路图,结合图1和图3可知,该高速反馈环1中,第一声光调制器20和第一分光平片30之间的下方设置有第一挡光片11。
输入第一声光调制器20的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光输出至第一分光平片30,其0级光被第一挡光片11遮挡。
在一种可能的实施例方式中,如图4所示为本发明提供的第一AOM驱动单元的实施例的结构框图,结合图1和图4可知,第一AOM驱动单元70包括:第一DDS(Direct DigitalSynthesis,直接数字频率合成)射频信号源701、混频器702和第一射频功放703。
第一DDS射频信号源701产生一固定强度的射频信号,输入至混频器702的LO(Local Oscillator,本振)端。
高速模拟PID反馈控制单元110的输出信号输入至混频器702的IF(IntermediateFrequency,中频)端,使混频器702的RF(Radio Frequency,射频)端输出一个强度受高速模拟PID反馈控制单元110控制的第一射频信号。
第一射频信号经第一射频功放703放大后输入至第一声光调制器20,从而反馈控制第一声光调制器20输出的衍射光强度。
低速反馈环2包括:第二声光调制器40、第二分光平片60、第二光电探测器100、低速数字PID反馈控制单元120和第二AOM驱动单元90。
输入第二声光调制器40的拉曼光发生衍射,被第二分光片60后一部分光到输出至第二光电探测器100,另一部分输出作为拉曼光脉冲功率稳定系统的输出;第二光电探测器100将光信号转换为电信号后输出至低速数字PID反馈控制单元120;低速数字PID反馈控制单元120每个实验周期进行一次数字PID运算,并将运算结果反馈给第二AOM驱动单元90,控制下一实验周期中拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器40的射频信号强度,使第二声光调制器40输出抑制了低频光强飘动的拉曼光,并经第二分光平片60分光后输出至拉曼光脉冲功率稳定系统外部。
在一种可能的实施例方式中,第二声光调制器40和第二分光平片60之间设置有光纤单元50,进行光信号传输。
在一种可能的实施例方式中,如图5所示为本发明提供的一种低速反馈环的实施例的部分光路图,结合图1和图5可知,该低速反馈环2中,所述第二声光调制器40与所述第二分光平片60之间还设置有第二挡光片21;光纤单元50包括:输入端光纤耦合器22、光纤23和输出端光纤耦合器24。
输入至第二声光调制器40的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光依次经过输入端光纤耦合器22、光纤23和输出端光纤耦合器24后输出,其0级光被第二挡光片21遮挡。
在一种可能的实施例方式中,如图6所示为本发明提供的第二AOM驱动单元的实施例的结构框图,结合图1和图6可知,第二AOM驱动单元90包括:第二DDS射频信号源901和第二射频功放902。
低速数字PID反馈控制单元120输出的数字信号控制第二DDS射频信号源901输出信号强度,第二DDS射频信号源901的输出信号被第二射频功放902放大后输出至第二声光调制器40,反馈控制第二声光调制器40输出的拉曼光脉冲强度,从而完成闭环反馈过程。
可以理解的是,基于背景技术中的缺陷,本发明实施例提出了一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,创新性的使用高、低速双光强反馈控制环路稳定拉曼光脉冲功率,高速反馈环采用高速模拟PID反馈控制单元与高响应带宽第一AOM驱动单元相结合,以实现高带宽的持续激光强度反馈控制,从而抑制拉曼光的高频强度噪声;被抑制了高频强度噪声的拉曼光紧接着进入低速反馈环部分,低速反馈环部分采用低速数字PID反馈控制单元以实现每一实验周期进行一次PID反馈运算。反馈运算结果用于控制拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器的射频信号强度,从而用于抑制光纤耦合效率变化所带来的低频拉曼光脉冲强度漂移同时也起着产生拉曼光脉冲的作用;有效解决了冷原子干涉仪中拉曼光脉冲功率主动稳定的难题,提升了冷原子干涉仪的短期灵敏度与长期测量精度。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种用于冷原子干涉仪的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述拉曼光脉冲功率稳定系统包括:拉曼光发生单元(10)、高速反馈环(1)和低速反馈环(2);所述拉曼光发生单元(10)输出拉曼光依次经过所述高速反馈环(1)和低速反馈环(2);
所述高速反馈环(1)包括:第一声光调制器(20)、第一分光平片(30)、第一光电探测器(80)、高速模拟PID反馈控制单元(110)和第一AOM驱动单元(70);
输入所述第一声光调制器(20)的所述拉曼光发生衍射,被所述第一分光平片(30)分光后一部分输出至所述第一光电探测器(80),另一部分输出至所述低速反馈环(2);所述光电探测器(80)将光信号转换为电信号输出至所述高速模拟PID反馈控制单元(110);所述高速模拟PID反馈控制单元(110)的输出信号输入所述第一AOM驱动单元(70),控制输入给所述第一声光调制器(20)的射频信号强度,使所述第一声光调制器(20)输出抑制了高频强度噪声的拉曼光,并经所述第一分光平片(30)分光后输出至所述低速反馈环(2);
所述低速反馈环(2)包括:第二声光调制器(40)、第二分光平片(60)、第二光电探测器(100)、低速数字PID反馈控制单元(120)和第二AOM驱动单元(90);
输入所述第二声光调制器(40)的拉曼光发生衍射,被所述第二分光片(60)分光后一部分输出至所述第二光电探测器(100),另一部分输出作为所述拉曼光脉冲功率稳定系统的输出;所述第二光电探测器(100)将光信号转换为电信号后输出至所述低速数字PID反馈控制单元(120);所述低速数字PID反馈控制单元(120)每个实验周期进行一次数字PID运算,并将运算结果反馈给所述第二AOM驱动单元(90),控制下一实验周期中拉曼光脉冲开启时输入给第二声光调制器(40)的射频信号强度,使所述第二声光调制器(40)输出抑制了低频光强飘动的拉曼光,并经所述第二分光平片(60)分光后输出至所述拉曼光脉冲功率稳定系统外部。
2.根据权利要求1所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述拉曼光发生单元(10)包括依次排列的激光器(101)、第一半波片(102)、高消光比偏振分束镜(103)、第二半波片(104)和电光调制器(105);
所述激光器(101)输出的激光通过所述第一半波片(102)调整偏振方向后经过所述高消光比偏振分束镜(103)滤偏,滤偏后的激光再经过所述第二半波片(104)后输入所述电光调制器(105)产生拉曼光。
3.根据权利要求1所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述第一声光调制器(20)和第一分光平片(30)之间设置有第一挡光片(11);
输入所述第一声光调制器(20)的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光输出至所述第一分光平片(30),其0级光被所述第一挡光片(11)遮挡。
4.根据权利要求1所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述第一AOM驱动单元(70)包括:第一DDS射频信号源(701)、混频器(702)和第一射频功放(703);
所述第一DDS射频信号源(701)产生一固定强度的射频信号,输入至所述混频器(702)的LO端;
所述高速模拟PID反馈控制单元(110)的输出信号输入至所述混频器(702)的IF端,使所述混频器(702)的RF端输出一个强度受所述高速模拟PID反馈控制单元(110)控制的第一射频信号;
所述第一射频信号经所述第一射频功放(703)放大后输入至所述第一声光调制器(20),从而反馈控制所述第一声光调制器(20)输出的衍射光强度。
5.根据权利要求1所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述第二声光调制器(40)和第二分光平片(60)之间设置有光纤单元(50)。
6.根据权利要求5所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述第二声光调制器(40)与所述第二分光平片(60)之间还设置有第二挡光片(21);所述光纤单元(50)包括:输入端光纤耦合器(22)、光纤(23)和输出端光纤耦合器(24);
所述输入至所述第二声光调制器(40)的拉曼光发生衍射后,其+1级衍射光依次经过所述输入端光纤耦合器(22)、光纤(23)和输出端光纤耦合器(24)后输出,其0级光被所述第二挡光片(21)遮挡。
7.根据权利要求1所述的拉曼光脉冲功率稳定系统,其特征在于,所述第二AOM驱动单元(90)包括:第二DDS射频信号源(901)和第二射频功放(902);
所述低速数字PID反馈控制单元(120)输出的数字信号控制所述第二DDS射频信号源(901)输出信号强度,所述第二DDS射频信号源(901)的输出信号被所述第二射频功放(902)放大后输出至所述第二声光调制器(40),反馈控制所述第二声光调制器(40)输出的拉曼光脉冲强度。
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