CN114142332A - 用于激光稳频的光学系统及激光稳频装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于激光稳频的光学系统及激光稳频装置，其中，用于激光稳频的光学系统包括光隔离器、光纤分束器、相位调制器、原子气室、光纤环形器、光电探测器、射频信号发生器和传输光纤，光纤分束器的第一输出端与原子气室的输入端连接，原子气室的输出端与光纤环形器的第二端口连接，光纤环形器的第三端口与光电探测器的输入端连接；光纤分束器的第二输出端与相位调制器的输入端连接，射频信号发生器的输出端与相位调制器的驱动端口连接，相位调制器的输出端与光纤环形器的第一端口连接，上述元器件之间通过传输光纤连接。如此设置，本发明提供的用于激光稳频的光学系统的结构紧凑，有利于缩小稳频装置的体积，且提高了运动及振动稳定性。

Description

用于激光稳频的光学系统及激光稳频装置

技术领域

本发明涉及量子光电器件技术领域，尤其涉及一种用于激光稳频的光学系统及激光稳频装置。

背景技术

在各种原子系统中，激光是操控原子的经典手段。激光频率的精准性直接关系到原子操控精度和相应系统的性能水平。为了克服环境引起的激光器慢漂、抖动和跳模，需要将激光器锁定在一个稳定的参考频率上。目前，激光稳频的参考频率一般使用原子跃迁谱线和高精度的谐振腔等。其中，基于原子跃迁谱线的调制转移谱稳频方法因没有介质的多普勒吸收背景，能够获得更高的误差信号和更准确的频率设定点，受到广泛青睐。

但现有技术中的调制转移谱激光稳频方案都是基于自由空间光学器件实现的对调制转移光谱的获取，受到空间光路的制约，装置体积较大，并且在移动、振动等动态环境下容易产生光路偏斜，引起测量误差、频率稳定点漂移，甚至无法正常工作，限制了原子系统向小型化和动态平台的应用发展。

发明内容

本发明提供一种用于激光稳频的光学系统及激光稳频装置，用以解决上述缺陷。

本发明提供一种用于激光稳频的光学系统，包括光隔离器、光纤分束器、相位调制器、原子气室、光纤环形器、光电探测器、射频信号发生器和传输光纤，其中，所述光纤分束器的输入端通过所述传输光纤与所述光隔离器的输出端连接；

所述光纤分束器的第一输出端通过所述传输光纤与所述原子气室的输入端连接，所述原子气室的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第二端口连接，所述光纤环形器的第三端口通过所述传输光纤与所述光电探测器的输入端连接；

所述光纤分束器的第二输出端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输入端连接，所述射频信号发生器的输出端与所述相位调制器的驱动端口连接，所述相位调制器的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，还包括用于改变光信号的偏振方向的偏振切换器，所述偏振切换器的输入端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输出端连接，所述偏振切换器的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述偏振切换器包括光纤起偏器和全光纤波片，所述光纤起偏器的输入端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输出端连接，所述光纤起偏器的输出端通过所述传输光纤与所述全光纤波片的输入端连接，所述全光纤波片的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述传输光纤为单模保偏光纤。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述光隔离器、所述光纤分束器、所述相位调制器、所述原子气室、所述光纤环形器、所述光电探测器和所述偏振切换器均为保偏器件。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述光纤分束器为比例可调分束器，所述比例可调分束器能够调节所述比例可调分束器的第一输出端输出的光束与所述比例可调分束器的第二输出端输出的光束的功率比例。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述原子气室为填充有原子气体的光纤耦合玻璃气室或光子晶体光纤。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，所述相位调制器为光纤电光相位调制器、光纤声光调制器或压电陶瓷光纤相位调制器。

根据本发明提供的一种用于激光稳频的光学系统，还包括光纤换路器和光纤耦合器；

所述光纤换路器连接在所述偏振切换器与所述相位调制器之间，所述光纤换路器的输入端与所述相位调制器的输出端连接，所述光纤换路器的第一输出端与所述偏振切换器的输入端连接；

所述光纤耦合器连接在所述偏振切换器与所述光纤环形器的第一端口之间，所述光纤耦合器的第一输入端与所述偏振切换器的输出端连接，所述光纤耦合器的第二输入端与所述光纤换路器的第二输出端连接，所述光纤耦合器的输出端与所述光纤环形器的第一端口连接。

本发明还提供一种激光稳频装置，包括上述的用于激光稳频的光学系统。

本发明提供的用于激光稳频的光学系统，包括光隔离器、光纤分束器、相位调制器、原子气室、光纤环形器、光电探测器、射频信号发生器和传输光纤，利用传输光纤将光隔离器、光纤分束器、相位调制器、原子气室、光纤环形器和光电探测器连接形成全光纤结构，实现了基于原子气室的激光调制转移光谱的获取。相对于现有技术中的自由空间光路，本发明提供的用于激光稳频的光学系统的结构紧凑，装置体积不再受制于直线传播的光路方向，有利于减小稳频装置的体积，并且能够避免动态过程中由于应力变化导致的器件变形和光路改变，提高了运动及振动稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的用于激光稳频的光学系统的结构示意图一；

图2是本发明提供的用于激光稳频的光学系统的结构示意图二。

附图标记：

1：光隔离器；2：光纤分束器；3：相位调制器；4：原子气室；5：光纤环形器；6：光电探测器；7：传输光纤；8：偏振切换器；9：光纤起偏器；10：全光纤波片；11：光纤换路器；12：光纤耦合器；A：第一端口；B：第二端口；C：第三端口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

下面结合图1至图2描述本发明的用于激光稳频的光学系统。

如图1所示，本发明实施例提供的用于激光稳频的光学系统，与现有技术中的用于激光稳频的电学系统相配合，共同实现对激光的稳频操作。

本发明实施例中的用于激光稳频的光学系统包括光隔离器1、光纤分束器2、相位调制器3、原子气室4、光纤环形器5、光电探测器6、射频信号发生器和传输光纤7，相邻元器件之间通过传输光纤7连接。

具体来说，光隔离器1的输入端连接有传输光纤7，用于与待稳频激光器连接，供待稳频激光输入。上述光隔离器1的输出端通过传输光纤7与光纤分束器2的输入端连接。光纤分束器2具有第一输出端和第二输出端，能够将待稳频激光分成两束，分别从第一输出端和第二输出端输出。

光纤分束器2的第一输出端通过传输光纤7与原子气室4的输入端连接，原子气室4的输出端通过传输光纤7与光纤环形器5的第二端口B连接，光纤环形器5的第三端口C通过传输光纤7与光电探测器6的输入端连接。

光纤分束器2的第二输出端通过传输光纤7与相位调制器3的输入端连接，射频信号发生器的输出端与相位调制器3的驱动端口连接，相位调制器3的输出端通过传输光纤7与光纤环形器5的第一端口A连接。

待稳频激光经光隔离器1和光纤分束器2后，分为两路光信号。由光纤分束器2的第一输出端输出的光信号为探测光，探测光进入原子气室4。由光纤分束器2的第二输出端输出的光信号为泵浦光，泵浦光进入相位调制器3。通过射频信号发生器向相位调制器3的驱动端口输入射频信号，泵浦光在相位调制器3内受到调制后，传输至光纤环形器5的第一端口A。

上述光纤环形器5为光路不可逆器件，光只能沿一个方向传播，从第一端口A输入的光信号能够从第二端口B低损耗输出，从第二端口B输入的光信号能够从第三端口C低损耗输出，而从第一端口A输入的信号向第三端口C输出时会产生很大损耗，从第二端口B输入的信号向第一端口A输出时也会产生很大损耗。

获得调制后的泵浦光从光纤环形器5的第一端口A传输至第二端口B，并进入原子气室4。

原子气室4内填充有与待稳频激光的频率范围所对应的原子气体，泵浦光和探测光在原子气室4内共线反向传播，经由四波混频效应能够将调制转移至探测光上，并产生对应激光频率的调制转移谱线。上述反向传播的泵浦光最终被光隔离器1吸收，从而避免对待稳频激光产生干扰。

获得调制的探测光正向传播至光纤环形器5，从光纤环形器5的第二端口B传输至第三端口C，并被光电探测器6接收。光电探测器6探测到随激光频率变化的调制转移谱线，然后将探测到的光信号转换为电信号。

光电探测器6与用于激光稳频的电学系统连接，将电信号传输至电学系统，经过信号放大、隔直、移相、与调制信号混频、滤波等操作，对探测光解调，得到鉴频信号，最后通过PID反馈方式加载到待稳频激光器的控制器上，从而将激光频率锁定在鉴频信号过零点。

如此设置，利用传输光纤7将光隔离器1、光纤分束器2、相位调制器3、原子气室4、光纤环形器5和光电探测器6连接形成全光纤结构，实现了基于原子气室4的激光调制转移光谱的获取，保留了调制转移光谱背景噪声小、鉴频信号幅值大、锁定点精准等优势。相对于现有技术中的自由空间光路，本发明提供的用于激光稳频的光学系统的结构紧凑，装置体积不再受制于直线传播的光路方向，有利于减小稳频装置的体积，并且能够避免动态过程中由于应力变化导致的器件变形和光路改变，提高了运动及振动稳定性。

需要说明的是，上述关于电学系统对电信号的放大、隔直、移相、与调制信号混频、滤波等操作、获取鉴频信号以及将鉴频信号反馈加载至待稳频激光器的控制器上的操作均为成熟的现有技术，此处不再赘述。

一些具体实施例中，上述原子气室4可以为光纤耦合玻璃气室，也可以为光子晶体光纤。光纤耦合玻璃气室内部的空腔和光子晶体光纤的中空结构作为用于容纳与待稳频激光的频率范围所对应的原子气体的气室。

上述相位调制器3可以为光纤电光相位调制器、光纤声光调制器和压电陶瓷光纤相位调制器中的一种。

本发明实施例中的传输光纤7为单模保偏光纤，能够保持偏振光信号的稳定的传输状态。由于探测光和泵浦光均通过单模保偏光纤传输至原子气室4，得益于单模保偏光纤中的激光模式单一性，在原子气室4内重合的探测光和泵浦光具有相同的TEM00模式，且根据光路可逆性和光纤耦合的高对准精度，探测光和泵浦光光路严格重合，从而有效地抑制了由光束重合误差及光强分布不均匀引入的剩余幅度调制效应，进一步提升稳频精度。

上述光隔离器1、光纤分束器2、相位调制器3、原子气室4、光纤环形器5、光电探测器6和偏振切换器8均为保偏器件，能够保持偏振光信号的稳定性，抑制偏振波动对光信号质量的影响。

本发明实施例中的用于激光稳频的光学系统还包括偏振切换器8，偏振切换器8的输入端通过传输光纤7与相位调制器3的输出端连接，偏振切换器8的输出端通过传输光纤7与光纤环形器5的第一端口A连接。偏振切换器8能够改变光信号的偏振方向，能够使泵浦光与探测光的偏振态正交。泵浦光和探测光偏振态平行与正交两种偏振组合均可以获得明显的调制转移谱线，但是分别对应了不同的塞曼子能级跃迁和鉴频信号特征。偏振切换器8作为不同偏振组合下的稳频优化手段，可以按需选用。

本实施例中，上述偏振切换器8包括光纤起偏器9和全光纤波片10，光纤起偏器9的输入端通过传输光纤7与相位调制器3的输出端连接，光纤起偏器9的输出端通过传输光纤7与全光纤波片10的输入端连接，全光纤波片10的输出端通过传输光纤7与光纤环形器5的第一端口A连接。

获得调制后的泵浦光传输至光纤起偏器9，光纤起偏器9能够使一个特定偏振方向的光通过，同时阻挡其他方向的偏振光，从而可以对泵浦光进行过滤和纯化，以提高偏振方向切换的精确度。经过滤和纯化的泵浦光进入全光纤波片10，基于光纤应力双折射效应，可以将泵浦光的偏振方向旋转90度，使沿传输光纤7慢轴传输的泵浦光沿传输光纤7快轴传输，沿传输光纤7快轴传输的泵浦光沿传输光纤7慢轴传输。

一些具体实施例中，用于激光稳频的光学系统还包括光纤换路器11和光纤耦合器12，也为单模保偏器件。光纤换路器11包含两个输出端，可以通过外部控制输入光从任一输出端输出。光纤耦合器12包含两个输入端，可将两路输入同时耦合至输出端输出。

参照图2，光纤换路器11连接在偏振切换器8与相位调制器3之间，光纤耦合器12连接在偏振切换器8与光纤环形器5的第一端口A之间。

光纤换路器11的输入端通过单模保偏光纤与相位调制器3的输出端连接，光纤换路器11的第一输出端通过单模保偏光纤与偏振切换器8的输入端连接。

光纤耦合器12的第一输入端通过单模保偏光纤与偏振切换器8的输出端连接，光纤耦合器12的第二输入端通过单模保偏光纤与光纤换路器11的第二输出端连接。光纤耦合器12的输出端通过单模保偏光纤与光纤环形器5的第一端口A连接。

通过控制光纤换路器11，可以控制光信号的传输路径。

在不需要改变泵浦光的偏振方向时，控制经过光纤换路器11的光信号从第二输出端输出；在需要改变泵浦光的偏振方向时，控制经过光纤换路器11的光信号从第一输出端输出。操作方便，增强了用于激光稳频的光学系统的适应性，可供研究人员进行多种参数配置优化，以提升稳频效果。

本实施例中，上述光纤分束器2选用比例可调分束器，比例可调分束器能够调节第一输出端输出的光束与第二输出端输出的光束的功率比例，从而调节调制转移谱线和鉴频信号的幅值和信噪比，优化调制转移谱及鉴频信号的质量，优化对激光的稳频效果。可供研究人员进行多种参数配置优化，以提升稳频效果。

本发明实施例提供的用于激光稳频的光学系统，兼顾体积小、鲁棒性高、通用性强和精度高，对于原子系统小型化和动态平台集成具有较好的应用前景。

另一方面，本发明实施例还提供一种激光稳频装置，包括上述任一实施例提供的用于激光稳频的光学系统。具有上述用于激光稳频的光学系统的全部优点，且本发明实施例中的激光稳频装置的有益效果的推导过程与上述用于激光稳频的光学系统的有益效果的推导过程大体类似，故此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于激光稳频的光学系统，其特征在于，包括光隔离器、光纤分束器、相位调制器、原子气室、光纤环形器、光电探测器、射频信号发生器和传输光纤，其中，所述光纤分束器的输入端通过所述传输光纤与所述光隔离器的输出端连接；

所述光纤分束器的第一输出端通过所述传输光纤与所述原子气室的输入端连接，所述原子气室的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第二端口连接，所述光纤环形器的第三端口通过所述传输光纤与所述光电探测器的输入端连接；

所述光纤分束器的第二输出端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输入端连接，所述射频信号发生器的输出端与所述相位调制器的驱动端口连接，所述相位调制器的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

2.根据权利要求1所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，还包括用于改变光信号的偏振方向的偏振切换器，所述偏振切换器的输入端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输出端连接，所述偏振切换器的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

3.根据权利要求2所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述偏振切换器包括光纤起偏器和全光纤波片，所述光纤起偏器的输入端通过所述传输光纤与所述相位调制器的输出端连接，所述光纤起偏器的输出端通过所述传输光纤与所述全光纤波片的输入端连接，所述全光纤波片的输出端通过所述传输光纤与所述光纤环形器的第一端口连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述传输光纤为单模保偏光纤。

5.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述光隔离器、所述光纤分束器、所述相位调制器、所述原子气室、所述光纤环形器、所述光电探测器和所述偏振切换器均为保偏器件。

6.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述光纤分束器为比例可调分束器，所述比例可调分束器能够调节所述比例可调分束器的第一输出端输出的光束与所述比例可调分束器的第二输出端输出的光束的功率比例。

7.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述原子气室为填充有原子气体的光纤耦合玻璃气室或光子晶体光纤。

8.根据权利要求1-3任一项所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，所述相位调制器为光纤电光相位调制器、光纤声光调制器或压电陶瓷光纤相位调制器。

9.根据权利要求2所述的用于激光稳频的光学系统，其特征在于，还包括光纤换路器和光纤耦合器；

所述光纤换路器连接在所述偏振切换器与所述相位调制器之间，所述光纤换路器的输入端与所述相位调制器的输出端连接，所述光纤换路器的第一输出端与所述偏振切换器的输入端连接；

所述光纤耦合器连接在所述偏振切换器与所述光纤环形器的第一端口之间，所述光纤耦合器的第一输入端与所述偏振切换器的输出端连接，所述光纤耦合器的第二输入端与所述光纤换路器的第二输出端连接，所述光纤耦合器的输出端与所述光纤环形器的第一端口连接。

10.一种激光稳频装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的用于激光稳频的光学系统。

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