CN114336240A - 基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统。所述系统包括：第一激光器为光源的第一光路、第二激光器为光源的第二光路、自适应拍频锁定模块以及功率比稳定模块，第一光路包括：第一激光器、稳频模块、第一放大倍频模块和吹散光输出模块；吹散光输出模块包括：0移频声光调制器；第二光路包括：第二激光器、单边带调制模块、第二放大倍频模块以及功率稳定输出模块。采用本系统能够实现模块化冷原子干涉激光系统。
Description
技术领域
本申请涉及冷原子干涉仪技术领域，特别是涉及一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统。
背景技术
原子干涉重力仪具有高精度、高灵敏度的特点，能够提供μGal量级的绝对重力加速度值，是获取高精度重力信息的重要仪器之一，具有重要研究价值和广阔的应用前景。
当前，原子干涉重力测量理论已趋成熟，但在系统关键技术上亟需进行深入的实用化创新研究和改进。激光光源系统作为操控原子的有效手段，是原子干涉重力仪的激励源头。激光光源系统的设计水平将直接影响原子干涉重力仪的测量性能、使用模式和运输方式。目前，对于原子干涉重力仪的仪器化和推广转化而言，尤其需要小型化、模块化的集成设计来满足未来的远程可移动、产品化和实用化要求。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统。
一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统，所述系统包括：
所述系统包括：第一激光器为光源的第一光路、第二激光器为光源的第二光路、自适应拍频锁定模块以及功率比稳定模块；
所述第一光路包括：第一激光器、稳频模块、第一放大倍频模块和吹散光输出模块；所述吹散光输出模块包括：0移频声光调制器；
所述第二光路包括：第二激光器、单边带调制模块、第二放大倍频模块以及功率稳定输出模块；
所述第一激光器输出的激光，由第一光纤耦合器分为两束，其中一束输入第一放大倍频模块，另一束输入至所述自适应拍频锁定模块，所述第一放大倍频模块对激光进行倍频后，输出至第二光纤耦合器，由第二光纤耦合器分为两束，其中一束输入至稳频模块，另一束输入至第三光纤耦合器，由第三光纤耦合器分为两束，其中一束输入至吹散光输出模块，通过0移频声光调制器的开关控制输出吹散光，另一束，输入至功率比稳定模块；
所述第二激光器输出的激光，由第四光纤耦合器分为两束，其中一束输出至单边带调制模块，另一束输入至自适应拍频锁定模块，所述第一光纤耦合器输出的激光和所述第四光纤耦合器输出的激光在第五光纤耦合器进行耦合，用于自适应拍频；所述单边带调制模块输出激光依次通过所述第二放大倍频模块和所述功率稳定输出模块，所述功率稳定输出模块输出的0阶输出传输至所述功率比稳定模块进行功率稳定，所述功率稳定输出模块的主输出输出冷却光、回泵光、拉曼光以及探测光。
在其中一个实施例中，所述自适应拍频锁定模块包括：上移频声光调制器和跳频自适应的拍频锁定模块；所述第一光纤耦合器输入至自适应拍频锁定模块的激光，由所述上移频声光调制器进行上移频后，通过所述第五光纤耦合器进行耦合至所述跳频自适应的拍频锁定模块。
在其中一个实施例中，所述稳频模块将Rb87稳频在F＝2→F′＝3。
在其中一个实施例中，所述第一激光器和所述第二激光器输出1560nm的激光。
在其中一个实施例中，所述放大倍频模块包括：光纤放大器和倍频晶体。
在其中一个实施例中，所述功率稳定输出模块包括：集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；
所述光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器以及第三光耦合器；
所述光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；
所述电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；
入射光由所述光纤输入端口输入，分别经过所述光准直器和所述起偏器得到线偏振光，所述线偏振光输入所述第一声光晶体，所述第一声光晶体通过所述第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，所述第一微波驱动模块给所述第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，所述0阶衍射光经由所述第六光纤耦合器后，由所述零移频监测输出端口输出，作为0阶输出；所述±1阶衍射光经过所述分束器后，反射光输入至所述光电探测器将光信号转化为电信号，所述电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，所述PID控制器与所述第一微波驱动模块连接，所述第一声光晶体、所述分束器、所述PID控制器与所述第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至所述第二声光晶体，所述第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，所述第二微波驱动模块给所述第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
阶衍射光；所述
阶衍射光经由第七光纤耦合器后，由低移频光输出端口输出，所述±1阶衍射光经由所述第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
在其中一个实施例中，所述分束器为消偏振分束器，所述消偏振分束器为直平行六面体消偏振分束器；所述±1阶衍射光以入射角45°进入所述直平行六面体消偏振分束器。
在其中一个实施例中，所述直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和|Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。
在其中一个实施例中，所述第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，所述开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
阶衍射光输出。
上述基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统，首先，整个系统采用模块化设计，各个部件实现可替换连接，另外，在光路上，通过设置0移频声光调制器，可以控制输出满足能量要求的吹散光，以及通过自适应拍频锁定模块可以实现拍频范围内可控。
附图说明
图1为一个实施例中基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统的示意性结构图；
图2为一个实施例中功率稳定输出模块的结构示意图；
图3为另一个实施例中基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统的示意性结构图；
图4为另一个实施例中冷原子干涉仪的原理示意图；
图5为一个实施例中激光成分输出时序图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统，系统包括：第一激光器为光源的第一光路、第二激光器为光源的第二光路、自适应拍频锁定模块以及功率比稳定模块；第一光路包括：第一激光器、稳频模块、第一放大倍频模块和吹散光输出模块；吹散光输出模块包括：0移频声光调制器；第二光路包括：第二激光器、单边带调制模块、第二放大倍频模块以及功率稳定输出模块；第一激光器输出的激光，由第一光纤耦合器分为两束，其中一束输入第一放大倍频模块，另一束输入至所述自适应拍频锁定模块，第一放大倍频模块对激光进行倍频后，输出至第二光纤耦合器，由第二光纤耦合器分为两束，其中一束输入至稳频模块，另一束输入至第三光纤耦合器，由第三光纤耦合器分为两束，其中一束输入至吹散光输出模块，通过0移频声光调制器的开关控制输出吹散光，另一束，输入至功率比稳定模块；第二激光器输出的激光，由第四光纤耦合器分为两束，其中一束输出至单边带调制模块，另一束输入至自适应拍频锁定模块，第一光纤耦合器输出的激光和第四光纤耦合器输出的激光在第五光纤耦合器进行耦合，用于自适应拍频；单边带调制模块输出激光依次通过第二放大倍频模块和功率稳定输出模块，功率稳定输出模块输出的0阶输出传输至功率比稳定模块进行功率稳定，功率稳定输出模块的主输出输出冷却光、回泵光、拉曼光以及探测光。
上述基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统中，首先，整个系统采用模块化设计，各个部件实现可替换连接，另外，在光路上，通过设置开关的功能0移频声光调制器，可以控制输出满足能量要求的吹散光，以及通过自适应拍频锁定模块可以实现拍频范围内可控。
具体的，0移频声光调制器可以通过两个声光调制器组合实现，其中一个声光调制器进行正移频，另一个声光调制器作为负移频，从而实现0移频声光调制器，在实现开关功能时，可以通过快速启动和关闭其中一个声光调制器实现。
在其中一个实施例中，自适应拍频锁定模块包括：上移频声光调制器和跳频自适应的拍频锁定模块；第一光纤耦合器输入至自适应拍频锁定模块的激光，由上移频声光调制器进行上移频后，通过第五光纤耦合器进行耦合至跳频自适应的拍频锁定模块。
具体的，上移频声光调制器对激光进行200MHz的上移频，可以实现跳频自适应的拍频锁定模块200-900MHz的锁频锁定范围。
在其中一个实施例中，稳频模块将Rb87稳频在F＝2→F′＝3。
在其中一个实施例中，放大倍频模块包括：光纤放大器和倍频晶体。放大倍频模块采用模块化设计，具体的，光纤放大器和倍频晶体将1560nm的激光倍频至780nm。
在其中一个实施例中，如图2所示，功率稳定输出模块采用模块化设计，其中包括了集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器以及第三光耦合器；光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；入射光由光纤输入端口输入，分别经过光准直器和所述起偏器得到线偏振光，线偏振光输入所述第一声光晶体，第一声光晶体通过第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，第一微波驱动模块给第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，0阶衍射光经由第六光纤耦合器后，由零移频监测输出端口输出，作为0阶输出；±1阶衍射光经过所述分束器后，反射光输入至所述光电探测器将光信号转化为电信号，电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，所述PID控制器与第一微波驱动模块连接，第一声光晶体、分束器、PID控制器与第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至第二声光晶体，第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，第二微波驱动模块给第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
阶衍射光；
阶衍射光经由第七光纤耦合器后，由低移频光输出端口输出，±1阶衍射光经由第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
值得说明的是，对于±1阶衍射光，如果第一驱动信号的信号方向，存在+1阶衍射光和-1阶衍射光的情况，对于
阶衍射光，第一驱动信号与第二驱动信号的差值的方向确定是+1阶衍射光和-1阶衍射光。
以下以±1阶衍射光为+1阶衍射光进行说明：首先频率为v的入射光经光纤入射，通过准直器转化为自由空间准直光束，经过格兰泰勒棱镜后得到具有高偏振消光比的线偏振光，而后通过声光晶体AOM1(第一声光晶体)产生0阶衍射光与+1阶衍射光，0阶光为透射方向，+1阶光发生较小的偏转角度。其0阶光耦合到耦合器1(第六光纤耦合器)作为监测信号输出，而其+1阶光经高分光比消偏振分光片分束为反射光与透射光。+1阶光的反射光经光电探测器转变为电信号，该电信号通过PID控制模块转变为反馈信号，并通过第一微波驱动模块反馈控制AOM1使+1阶光保持功率稳定。AOM1工作时，+1阶光输出光发生频移，设驱动信号的频率为f1、输入光频率为v，则+1阶光的频率为(v+f1)；+1阶光的透射光入射至AOM2(第二声光晶体)，再次发生衍射产生-1阶光与0阶光，并分别经耦合器2(第七光纤耦合器)和耦合器3(第三光耦合器)进行保偏耦合输出，最终成为经双AOM调制的低频移频光和单AOM调制的高频移频光。若AOM2的驱动信号频率为f2，则高频移频光频率为(v+f1)，低频移频光的频率为(v+f1-f2)。AOM2可通过调节外接微波驱动信号功率大小精确控制低频移频光输出和高移频光输出的功率大小以及实现光开关功能。
在其中一个实施例中，分束器为消偏振分束器，消偏振分束器为直平行六面体消偏振分束器；±1阶衍射光以入射角45°进入直平行六面体消偏振分束器。
在其中一个实施例中，直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和|Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。
在其中一个实施例中，第一微波驱动模块和第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
阶衍射光输出。
以下以图3进行具体说明，窄线宽光纤激光器1输出中心波长在1560nm附近的单频连续波激光，光束经1560nm的光纤耦合器后一分为二，一束光用作拍频锁定，另一束光经过放大倍频模块之后转为780nm的单频光。倍频后的780nm光经光纤耦合器分成两部分，一部分进入MTS(调制转移光谱)稳频模块，并将该模块产生的误差控制信号反馈输入到光纤激光器1的光学腔内，通过反馈控制压电陶瓷电压对激光器的频率进行锁定。另一部分再次经过一个光纤耦合器分成两部分，一束经过0移频声光调制器进行开关控制吹散光的输出，另一束进入拉曼光功率比稳定模块，作为参考光使用。
窄线宽光纤激光器2输出单频光经1560nm的光纤耦合器后一分为二，一束光进入拍频锁定模块，另一束光经单边带调制器后产生载波光和边带光，再经过放大倍频模块转化为高功率780nm激光。高功率倍频光通过集成稳功率输出模块时，对光束的功率稳定性和偏振消光比等性能进行提升，最终输出高功率稳定度、良好线偏振的780nm激光。集成稳功率输出模块的另一路剩余的零级光将进入到拉曼光功率比稳定模块。
窄线宽光纤激光器1通过MTS模块频率稳定之后，由跳频自适应的拍频锁定模块通过光学锁相环技术，将窄线宽光纤激光器2的频率锁定到距离激光器1的一定偏差范围内。根据冷原子干涉的周期性时序流程，在一个时序流程中，激光器2的频率位置需要根据冷却、偏振梯度冷却、选态和拉曼干涉等过程不断变化，锁定的拍频大小也跟着不断改变。
拉曼光功率比稳定模块将集成稳功率输出模块的零频移残余光与经过MTS模块稳频后(对应Rb87的F＝2>F'＝3)的参考光进行拍频探测后，通过分离参考光与拉曼光的高频光和低频光所形成的高低拍频，然后测量两个拍频信号的微波功率，并将其比值等效为组成拉曼光的两个光频成分的光功率比值，并最终通过PID电路处理模块，反馈控制单边带调制模块的调制深度，最终实现拉曼光功率比的稳定。
激光系统最终输出两路激光，一路为吹散光，一路为主输出，两束光通过保偏光纤输入到冷原子干涉仪的物理真空系统，位置示意图如图4所示。主输出光提供冷原子干涉过程的主要激光，包括冷却光、回泵光、拉曼光、探测光，各种光通过同一个输出端口分时复用，并通过拍频锁定模块的参考频率和单边带调制模块的驱动频率两个参数的变化，来得到原子干涉过程中所有激光频率。冷原子干涉时序所需要的主要激光成分及其具体输出环节如图5所示。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于单频光纤激光器的模块化冷原子干涉激光系统，其特征在于，所述系统包括：第一激光器为光源的第一光路、第二激光器为光源的第二光路、自适应拍频锁定模块以及功率比稳定模块；
所述第一光路包括：第一激光器、稳频模块、第一放大倍频模块和吹散光输出模块；所述吹散光输出模块包括：0移频声光调制器；
所述第二光路包括：第二激光器、单边带调制模块、第二放大倍频模块以及功率稳定输出模块；
所述第一激光器输出的激光，由第一光纤耦合器分为两束，其中一束输入第一放大倍频模块，另一束输入至所述自适应拍频锁定模块，所述第一放大倍频模块对激光进行倍频后，输出至第二光纤耦合器，由第二光纤耦合器分为两束，其中一束输入至稳频模块，另一束输入至第三光纤耦合器，由第三光纤耦合器分为两束，其中一束输入至吹散光输出模块，通过0移频声光调制器的开关控制输出吹散光，另一束，输入至功率比稳定模块；
所述第二激光器输出的激光，由第四光纤耦合器分为两束，其中一束输出至单边带调制模块，另一束输入至自适应拍频锁定模块，所述第一光纤耦合器输出的激光和所述第四光纤耦合器输出的激光在第五光纤耦合器进行耦合，用于自适应拍频；所述单边带调制模块输出激光依次通过所述第二放大倍频模块和所述功率稳定输出模块，所述功率稳定输出模块输出的0阶输出传输至所述功率比稳定模块进行功率稳定，所述功率稳定输出模块的主输出输出冷却光、回泵光、拉曼光以及探测光。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自适应拍频锁定模块包括：上移频声光调制器和跳频自适应的拍频锁定模块；
所述第一光纤耦合器输入至自适应拍频锁定模块的激光，由所述上移频声光调制器进行上移频后，通过所述第五光纤耦合器进行耦合至所述跳频自适应的拍频锁定模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述稳频模块将Rb87稳频在F＝2→F′＝3。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器输出1560nm的激光。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述放大倍频模块包括：光纤放大器和倍频晶体。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述功率稳定输出模块包括：集成封装的光学模块、至少四个光纤接口以及至少三个电信号接口；
所述光学模块包括：光准直器、起偏器、第一声光晶体、分束器、光电探测器、第二声光晶体、第六光纤耦合器、第七光纤耦合器以及第三光耦合器；
所述光纤接口包括：光纤输入端口、零移频监测输出端口、低移频光输出端口以及高移频光输出端口；
所述电信号接口包括：第一微波驱动接口、第二微波驱动接口以及信号采集口；
入射光由所述光纤输入端口输入，分别经过所述光准直器和所述起偏器得到线偏振光，所述线偏振光输入所述第一声光晶体，所述第一声光晶体通过所述第一微波驱动接口加载外部第一微波驱动模块，所述第一微波驱动模块给所述第一声光晶体提供第一驱动信号，得到0阶衍射光和±1阶衍射光，所述0阶衍射光经由所述第六光纤耦合器后，由所述零移频监测输出端口输出，作为0阶输出；所述±1阶衍射光经过所述分束器后，反射光输入至所述光电探测器将光信号转化为电信号，所述电信号由所述信号采集口输出至外部PID控制器，所述PID控制器与所述第一微波驱动模块连接，所述第一声光晶体、所述分束器、所述PID控制器与所述第一微波驱动模块组成反馈回路；透射光输入至所述第二声光晶体，所述第二声光晶体通过第二微波驱动接口加载第二微波驱动模块，所述第二微波驱动模块给所述第二声光晶体提供第二驱动信号，得到±1阶衍射光和
阶衍射光；所述
阶衍射光经由第七光纤耦合器后，由低移频光输出端口输出，所述±1阶衍射光经由所述第三光耦合器后，由高移频光输出端口输出。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述分束器为消偏振分束器，所述消偏振分束器为直平行六面体消偏振分束器；所述±1阶衍射光以入射角45°进入所述直平行六面体消偏振分束器。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述直平行六面体消偏振分束器的分光比满足：
|Ts-TP|＜ξ和|Rs-RP|＜ξ
其中，TP和TS分别表示S偏振光和P偏振光的透射光，RS和RP分别表示S偏振光和P偏振光的反射光，并且Ts/Rs≥50。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，所述开启状态下为第一声光晶体和/或第二声光晶体提供驱动信号，以此通过控制第一微波驱动模块和所述第二微波驱动模块均包括开启状态和关闭状态，实现0阶衍射光、±1阶衍射光和
阶衍射光输出。
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