CN114166112A - 一种原子干涉仪的光源系统及光源设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原子干涉仪的光源系统及光源设计方法，包括：发射1560nm的激光；将1560nm激光分成两束激光；对第一束激光进行移频，得到第三束激光，第三束激光与第一束激光的频率差为3.417GHz；对第二束激光进行倍频，得到第一频率的780nm激光；对第三束激光进行倍频，得到第二频率的780nm激光；将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光；将合束后的激光分成两部分，第一部分激光作为原子干涉仪所需的拉曼光；结合第二部分激光的信息在对第一束激光进行移频的过程中引入相位补偿，以抑制拉曼光中由于路径分离引起的相位扰动。本发明光路设计紧凑、且避免了在多余边带效应的影响。
Description
技术领域
本发明属于原子干涉仪领域，更具体地，涉及一种原子干涉仪的光源系统及光源设计方法。
背景技术
原子干涉仪经过近三十年的发展，目前已经应用到多个领域。基于原子干涉技术的惯性传感器也从实验室走向户外，目前基于原子干涉的重力仪已经开展了车载、船载、机载测量，这对原子重力仪的尺寸、重量、功耗、稳定性、环境适应性等提出了更高的要求，其中光源系统是原子干涉仪的最为核心和复杂的系统，光源系统的稳定性直接决定了重力测量的稳定性。
由于原子干涉仪需要对原子进行囚禁、冷却、干涉、探测，因此需要不同频率的激光。其中拉曼光系统则是干涉仪的核心，它控制着原子的分束、反射、汇聚，而拉曼光则是要求其频率差满足两个能级的频率差，通常在几个GHz，低相位噪声且相位相干。为此，目前原子干涉仪光源系统主要有两种产生方式，一种是利用两台激光器锁相产生，以铷原子干涉仪为例，它包括直接利用两台780nm半导体激光器种子光分别锁频、锁相，然后经过激光放大器构成实验所需求激光频率成分，或利用两台1560nm种子激光器经过放大器倍频后分别锁频、锁相构成实验所需激光频率成分；另外一种是仅利用一台1560nm激光器经相位调制器调制后得到多种激光频率成分的光束，调制后的光束经光纤放大器倍频构成所需求激光频率成分。
第一种产生方式，需要两台种子激光器及激光放大器不仅大大增加光学系统的体积及功耗，而且采用这种光学锁相环的方式往往需要多路反馈环路，锁相效果往往还会受到激光器、锁相电路带宽的限制，系统实现较为复杂；第二种产生方式尽管光路产生方式较为简便，但是相位调制器由于其工作模式会产生多对具有频率差的光束，而产生拉曼光仅需要其中的一对激光，其他频率的激光会在拉曼光中产生寄生边带成分，而实验中很难将多余边带抑制干净，最终会导致随空间变化的干涉条纹对比度及系统测量偏差，而且寄生边带效应还易受环境温度改变而改变。可以看出，以上两种方式光路方案在高精度小型化重力仪中存在一定缺陷。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种原子干涉仪的光源系统及光源设计方法，旨在解决现有原子干涉仪的光源系统采用两台激光器进行锁相方式不仅增加了光路系统的体积及功耗，也对激光器及锁相电路的带宽提出较高要求，而采用相位调制器的方式则会引入寄生边带效应，导致现有原子干涉仪的光源系统均无法满足需要的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种原子干涉仪的光源系统，包括：1560nm激光器、保偏光纤分束器、声光移频器、第一波导倍频器、第二波导倍频器、合束器、分光片以及锁相单元；
所述1560nm激光器用于发射1560nm的激光；
所述保偏光纤分束器用于将所述1560nm激光分成两束激光，称为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光和第二束激光的频率相等；
所述声光移频器用于对第一束激光进行移频，得到第三束激光，所述第三束激光与第一束激光的频率差为3.417GHz；
所述第一波导倍频器用于对第二束激光进行倍频，得到第一频率的780nm激光；
所述第二波导倍频器用于对第三束激光进行倍频，得到第二频率的780nm激光；所述第二频率和第一频率的差值为6.834GHz；
所述合束器用于将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光；
所述分光片用于将所述合束后的激光分成两部分，第一部分激光作为原子干涉仪所需的拉曼光，第二部分激光输入到所述锁相单元；
所述锁相单元作用于所述声光偏移器，以用于抑制所述拉曼光中由于路径分离引起的相位扰动。
在一个可选的实施例中，该光源系统还包括：第一分束器和第二分束器；
所述第一分束器用于对第一频率的780nm激光进行分束，得到三束激光，其第一部分分束激光用于锁定第一频率780nm激光的频率，第二部分分束激光用于经过移频后构成所述原子干涉仪所需的囚禁光和探测光，第三部分分束激光用于输入到所述合束器中；
所述第二分束器用于对第二频率的780nm激光进行分束，得到两束激光，其第一部分分束激光用于构成所述原子干涉仪所需的回泵光，第二部分分束激光输入到所述合束器中；
所述合束器用于将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光，具体为：所述合束器将接收到的两束激光合束，得到合束后的激光。
在一个可选的实施例中，该光源系统还包括：第一光纤放大器和第二光纤放大器；
所述第一光纤放大器用于对输入到第一波导倍频器之前的激光进行放大；
所述第二光纤放大器用于对输入到第二波导倍频器之前的激光进行放大。
在一个可选的实施例中，该光源系统还包括：第一可调光纤衰减器和第二可调光纤衰减器；
所述第一可调光纤衰减器用于对输入到第一光纤放大器之前的激光进行功率衰减调节，以满足第一光纤放大器输入光功率要求；
所述第二可调光纤衰减器用于对输入到声光移频器之前的激光进行功率衰减调节，以满足第二光纤放大器输入光功率需求。
在一个可选的实施例中，该光源系统还包括：光纤隔离器；
所述光纤隔离器置于所述1560nm激光器和保偏光纤分束器的光路之间，用于避免从保偏光纤分束器处反射回来的激光对1560nm激光器产生影响。
第二方面，本发明提供了一种原子干涉仪的光源设计方法，包括如下步骤：
发射1560nm的激光；
将所述1560nm激光分成两束激光，称为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光和第二束激光的频率相等；
对第一束激光进行移频，得到第三束激光，所述第三束激光与第一束激光的频率差为3.417GHz；
对第二束激光进行倍频，得到第一频率的780nm激光；
对第三束激光进行倍频，得到第二频率的780nm激光；所述第二频率和第一频率的差值为6.834GHz；
将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光；
将所述合束后的激光分成两部分，第一部分激光作为原子干涉仪所需的拉曼光；
结合第二部分激光的信息在对所述第一束激光进行移频的过程中引入相位补偿，以抑制所述拉曼光中由于路径分离引起的相位扰动。
在一个可选的实施例中，该方法还包括如下步骤：
对第一频率的780nm激光进行分束，得到三束激光，其第一部分分束激光用于锁定第一频率780nm激光的频率，第二部分分束激光用于经过移频后构成所述原子干涉仪所需的囚禁光和探测光，第三部分分束激光作为第一束待合束的激光；
对第二频率的780nm激光进行分束，得到两束激光，其第一部分分束激光用于构成所述原子干涉仪所需的回泵光，第二部分分束激光作为第二束待合束的激光；
将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光，具体为：将第一束待合束的激光和第二束待合束的激光进行合束，得到合束后的激光。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种原子干涉仪的光源系统及光源设计方法，光路方案是采用一台1560nm光纤激光器通过分束器分为两束激光，其中一束激光通过倍频后产生的780nm激光用于产生稳频、囚禁及拉曼光的一束，另外一束激光则是通过移频后倍频产生的780nm激光用于产生拉曼光的另外一束，两束拉曼光通过简易的锁相环路进行相位锁定。整个光路设计紧凑、且避免了在多余边带效应的影响。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于单光源锁相的原子干涉仪光源系统设计图。
图2为本发明实施例提供的小型化重力仪光路各光束频率能级图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为1560nm激光器；102为光纤隔离器；103为保偏光纤分束器；104为第一可调光纤衰减器；105为第二可调光纤衰减器；106为声光移频器；107为第一光纤放大器；108为第二光纤放大器；109为第一波导倍频器；110为第二波导倍频器；111为第一分束器；112为第二分束器；113为激光稳频系统；114为囚禁、探测光系统；115为构成拉曼光的一束激光，116为回泵光系统；117为构成拉曼光的另外一束激光；118为合束器；119为99:1分光片；120为拉曼光系统；121为锁相单元。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术采用两台激光器进行锁相方式不仅增加了光路系统的体积及功耗，也对激光器及锁相电路的带宽提出较高要求，而采用相位调制器的方式则会引入寄生边带效应。为了克服现有技术缺点，本发明设计了利用一台种子激光器通过移频、锁相的方式实现了一种适合小型化重力仪光路系统，该种光路系统在使用单台激光器基础上即避免了锁相要求的高带宽，又避免了寄生边带效应的影响，整个光路设计较为简单、紧凑，较为适合小型化重力仪光路系统。
下面结合附图对本发明的具体实施方法做进一步的描述。
图1显示了小型化重力仪光路系统设计图。如图1所示，1560nm激光器101输出最大功率可达40mW，然后经过光纤隔离器102(避免反射光对激光器产生影响)然后再经过一个保偏光纤分束器103，该保偏光纤分束器选用90:10分光比例，其中分束后的10％激光约经过可调光纤衰减器104输入到光纤放大器107进行放大，分束后的90％激光经过可调光纤衰减器105后再经过1.7085GHz的声光移频器106进行两次移频，此时激光移频频率为3.417GHz，通过声光移频器移频后的激光频率成分中只含移频后激光频率成分，避免了相位调制器中寄生边带。移频后的激光经过光纤放大器108放大，经过光纤放大器107和108放大后的激光分别利用高效率的波导倍频器109和110进行倍频，即可得分别得到780nm的激光。经过109倍频后的激光经过波片及偏振分光棱镜构成的分束器111将激光分为三部分113，114和115，其中113约10mW用于锁定激光频率，其频率成分锁定在87Rb原子F＝2→F＝3′+200MHz的频率上，114经过移频后构成实验所需的囚禁光及探测光，115则用于构成拉曼光中的其中一束。经过110倍频后的激光经过波片及偏振分光棱镜构成的分束器112将激光分为两部分116和117，其中116用于构成囚禁原子所需的回泵光，117则构成拉曼光中的另外一束。最后115和和117经过合束器118进行合束，合束后的激光经过99:1的分光片119将激光分为两部分，其中99％的激光构成实验所需要的拉曼光120；1％的激光用于经过相位锁定系统121锁定拉曼光由于路径分离引起的相位扰动，该锁相单元是经过移相器反馈到声光移频器106中。
图2为小型化重力仪光路各光束频率能级图，该图显示87Rb D2线，其中探测光的频率为F＝2→F＝3′红矢谐几MHz，囚禁光的频率为F＝2→F＝3′红矢谐十几MHz，回泵光的频率为F＝1→F＝2′，拉曼光则是由F＝1→F＝3′和F＝2→F＝3′的两束激光蓝矢谐约几百MHz。
最终，通过简易的光路设计即可实现小型化重力仪光路系统，该光路系统采用了单台1560nm光纤激光器，种子激光源不存在跳模可长期连续运行，利用声光移频器移频后和未经过移频的种子激光倍频后合束构成实验所需要的拉曼光，该拉曼光不存在寄生边带的影响，且由于是对单个激光器发出激光的锁相，因此锁相不会受到激光器、锁相电路带宽的限制，仅仅需要简单的PI电路反馈到声光移频器用于抑制低频的振动引起的相位扰动。整个光路系统简单，紧凑，适合小型化原子重力仪。
需要说明的是，若是采用其他种类原子实现的干涉仪，其光路系统采用本发明所涉及的光源系统设计方案，也在本发明的保护范围之内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种原子干涉仪的光源系统，其特征在于，包括：1560nm激光器、保偏光纤分束器、声光移频器、第一波导倍频器、第二波导倍频器、合束器、分光片以及锁相单元；
所述1560nm激光器用于发射1560nm的激光；
所述保偏光纤分束器用于将所述1560nm激光分成两束激光，称为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光和第二束激光的频率相等；
所述声光移频器用于对第一束激光进行移频，得到第三束激光，所述第三束激光与第一束激光的频率差为3.417GHz；
所述第一波导倍频器用于对第二束激光进行倍频，得到第一频率的780nm激光；
所述第二波导倍频器用于对第三束激光进行倍频，得到第二频率的780nm激光；所述第二频率和第一频率的差值为6.834GHz；
所述合束器用于将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光；
所述分光片用于将所述合束后的激光分成两部分，第一部分激光作为原子干涉仪所需的拉曼光，第二部分激光输入到所述锁相单元；
所述锁相单元作用于所述声光偏移器，以用于抑制所述拉曼光中由于路径分离引起的相位扰动。
2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括：第一分束器和第二分束器；
所述第一分束器用于对第一频率的780nm激光进行分束，得到三束激光，其第一部分分束激光用于锁定第一频率780nm激光的频率，第二部分分束激光用于经过移频后构成所述原子干涉仪所需的囚禁光和探测光，第三部分分束激光用于输入到所述合束器中；
所述第二分束器用于对第二频率的780nm激光进行分束，得到两束激光，其第一部分分束激光用于构成所述原子干涉仪所需的回泵光，第二部分分束激光输入到所述合束器中；
所述合束器用于将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光，具体为：所述合束器将接收到的两束激光合束，得到合束后的激光。
3.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括：第一光纤放大器和第二光纤放大器；
所述第一光纤放大器用于对输入到第一波导倍频器之前的激光进行放大；
所述第二光纤放大器用于对输入到第二波导倍频器之前的激光进行放大。
4.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，还包括：第一可调光纤衰减器和第二可调光纤衰减器；
所述第一可调光纤衰减器用于对输入到第一光纤放大器之前的激光进行功率衰减调节，以满足第一光纤放大器输入光功率要求；
所述第二可调光纤衰减器用于对输入到声光移频器之前的激光进行功率衰减调节，以满足第二光纤放大器输入光功率需求。
5.根据权利要求1至4任一项所述的光源系统，其特征在于，还包括：光纤隔离器；
所述光纤隔离器置于所述1560nm激光器和保偏光纤分束器的光路之间，用于避免从保偏光纤分束器处反射回来的激光对1560nm激光器产生影响。
6.一种原子干涉仪的光源设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
发射1560nm的激光；
将所述1560nm激光分成两束激光，称为第一束激光和第二束激光，所述第一束激光和第二束激光的频率相等；
对第一束激光进行移频，得到第三束激光，所述第三束激光与第一束激光的频率差为3.417GHz；
对第二束激光进行倍频，得到第一频率的780nm激光；
对第三束激光进行倍频，得到第二频率的780nm激光；所述第二频率和第一频率的差值为6.834GHz；
将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光；
将所述合束后的激光分成两部分，第一部分激光作为原子干涉仪所需的拉曼光；
结合第二部分激光的信息在对所述第一束激光进行移频的过程中引入相位补偿，以抑制所述拉曼光中由于路径分离引起的相位扰动。
7.根据权利要求6所述的光源设计方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对第一频率的780nm激光进行分束，得到三束激光，其第一部分分束激光用于锁定第一频率780nm激光的频率，第二部分分束激光用于经过移频后构成所述原子干涉仪所需的囚禁光和探测光，第三部分分束激光作为第一束待合束的激光；
对第二频率的780nm激光进行分束，得到两束激光，其第一部分分束激光用于构成所述原子干涉仪所需的回泵光，第二部分分束激光作为第二束待合束的激光；
将第一频率的780nm激光和第二频率的780nm激光进行合束，得到合束后的激光，具体为：将第一束待合束的激光和第二束待合束的激光进行合束，得到合束后的激光。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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