CN114628985A - 一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，激光器输出激光经第一1/2波片后进入第一偏振分束器，垂直激光入射方向的光入射到第一声光调制器，和激光入射方向相同的光入射到第二声光调制器，经过1/4波片和反射镜后返回再次进入第二声光调制器，出射光经第一偏振分束器后方向改变90°进入到原子气室，经第二1/2波片出射后进入第二偏振分束器，一束光经第一光电探头进入第二PID控制器反馈至激光器进行频率锁定，第二束光经第二光电探头进入模拟开关，模拟开关输出端和参考电压作为差分放大器输入端，差分放大器输出信号经第一PID控制器后控制射频信号源的可调增益放大器。本激光频率跳变及稳定装置及方法极大提高原子冷却过程中激光动态移频稳定性。

Description

一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置及方法
技术领域
本发明属于惯性导航领域，特别是一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置及方法。
背景技术
自1991年朱棣文小组实现冷原子干涉仪以来，原子干涉惯性测量技术逐步成熟，高灵敏度和高精度原子惯性传感器在基础物理和工程应用等领域得到广泛应。目前原子干涉型绝对重力仪已经达到10-9g的测量精度，原子干涉型陀螺仪的零偏稳定性可达7×10-5°/h，原子加速度计的测量分辨率可达10-11g。
在原子干涉试验中，为了抑制激光器的频率漂移，常需要为提高原子相干性，需要进一步降低捕获原子的温度。以铷87原子的为例，在进行原子冷却捕获时，激光器频率闭环锁定在F＝2→F’＝3能级红失谐约15MHz的频率处。在进行偏振梯度冷却时，激光器需要在数ms内实现F＝2→F’＝3能级红失谐振(约100MHz)，最终将原子团温度降低至10μK以下。
为了实现激光的快速频率移动，常用方案是基于光锁相环的对动态跳变锁定，或者基于电光调制(EOM)的偏频锁定，以及声光移频(AOM)等方案。前两种方案对激光器带宽和闭环环路搭建提出了更高的要求，而声光移频方案操作方便、光路简单，是实现激光频率移动的更好的选择。但是，AOM特点是在固定方向的入射光条件下，改变移频频率变化其衍射效率发生变化引起功率变化，导致基于AOM的原子光谱信号出现幅度变化，造成锁频环路的不稳定。此外，AOM的也存在带宽的限制，影响了锁频激光器的动态移频的能力。
中国专利CN202011483364，公开了一种用于原子陀螺仪的激光频率和功率的双重稳定方法及装置。其并未公开采用AOM增加锁频灵活性，通过改变AOM的频率实现激光输出频率变化，保持闭环稳定性，从而满足原子干涉动态移频需求的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，基于AOM移频的激光频率方案，解决了使用AOM动态移频时功率起伏引起的反馈信号不稳定的问题，极大提高原子冷却过程中激光动态移频稳定性。
本发明的目的还在于提供一种原子干涉仪的激光频率跳变及稳定的方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
1、一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：包括：激光器(1)，激光器(1)输出的激光经过第一1/2波片(2)后，进入第一偏振分束器(3)，垂直所述激光入射方向的光入射到第一声光调制器(4)，和所述激光入射方向相同的光入射到第二声光调制器(5)，经过1/4波片(6)和反射镜(7)反射后沿着原路返回，再次进入第二声光调制器(5)进行二次移频，出射光经第一偏振分束器(3)后方向改变90°进入到原子气室(8)中，之后经过第二1/2波片(9)出射后进入第二偏振分束器(10)，一束光经过第一光电探头(18)，进入第二PID控制器(19)后反馈至激光器(1)进行频率锁定，第二偏振分束器(10)出射的第二束光，经过第二光电探头(11)后进入到模拟开关(12)，模拟开关(12)的输出端和外部参考电压(14)作为差分放大器(13)的两个输入端，差分放大器(13)的输出信号经过第一PID控制器(15)后，控制射频信号源(17)的可调增益放大器(16)，可调增益放大器(16)的输出信号连接至第二声光调制器(5)的输入端。
2、根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述的激光器(1)为780nm附近的单频激光发射器。
3、根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：当模拟开关(12)处于导通状态时，实现第二声光调制器(5)的功率闭环控制；通过调节外部参考电压(14)，控制闭环状态下的第二声光调制器(5)的光功率大小。
4、根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述模拟开关(12)处于未导通状态时，直接利用外部参考电压(14)调节实现第二声光调制器(5)的功率调节。
5、根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述射频信号源(17)输出至可调增益放大器(16)，进行动态频率变化，频率范围为第二声光调制器(5)的出厂带宽内。
6、根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：原子气室(8)内填充中性铷原子。
7、一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)激光器(1)输出780nm波长的激光，频率为ω0，经过第一偏振分束器(2)后，进入第二声光调制器(5)；
2)第二声光调制器(5)的驱动源由射频信号源(17)经过可调增益放大器(16)产生，此时第二声光调制器(5)发生多级衍射，选择正负一级边带，激光频率变为ω0±f(t)，经过1/4波片(6)和反射镜(7)后沿原传播方向返回，再次入射到第二声光调制器(5)，此时激光频率变为ω0±2f(t)，经过第一偏振分束器(2)发射后进入原子气室(8)，出射时携带原子光谱信息，经过第二1/2波片(9)，入射到第二偏振分束器(10)，透射部分经过第一光电探头(18)后转换为电压信号，经过第二PID控制器(19)，调制解调后反馈到激光器(1)进行频率锁定；
3)经第二偏振分束器(10)反射的激光，经过第二光电探头(11)，转换为电压信号：当模拟开关(12)处于断开状态时，该电压信号作为功率实时监控信息；当模拟开关(12)处于导通状态时，系统处于闭环状态，电压信号与外部参考电压(14)通过差分放大器(13)完成信号查分，之后信号经过第一PID控制器(15)，实时调整可调增益放大器(16)的输出功率大小，实现对第二声光调制器(5)的功率控制。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，激光器输出的激光经过声光调制器(AOM)移频后，入射到原子气室内后分为两束光，其中一束光经过光电转换后，经PID反馈控制激光器的电流控制端进行频率锁定；另外一束光经过光电转换后，进入模拟开关控制器，模拟开关开启后，信号和外部参考电压做加法后，经过PID控制器后，反馈至声光调制器(AOM)驱动，实现AOM出射光的功率功率的锁定；模拟开关关闭后，可以利用外部参考实时调节AOM出射光的功率，实现将AOM同时作为功率稳定和移频器件使用，解决了使用AOM进行动态移频时功率起伏引起的反馈信号不稳定的问题。
2、本发明的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置及方法，有别传统光路仅使用声光移频器(AOM)进行激光移频的功能，将AOM作为功率稳定的器件使用，解决了使用AOM进行动态移频时功率起伏引起的反馈信号不稳定的问题，极大提高了原子冷却过程中激光动态移频的稳定性。
3、本发明的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置及方法，应用于冷原子干涉惯性测量技术领域，如冷原子干涉重力仪、陀螺仪、加速度计，重力梯度仪，亦可应用于和冷原子相关实验。
附图说明
图1是本原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置的方框原理图。
附图标记说明
1-激光器、2-第一1/2波片、3-第一偏振分束器、4-第一声光调制器、5-第二声光调制器；6-1/4波片、7-反射镜、8-原子气室、9-第二1/2波片、10-第二偏振分束器、11-第二光电探头、12-模拟开关、13-差分放大器、14-外部参考电压、15-第一PID控制器、16-可调增益放大器、17-射频信号源、18-第一光电探头、19-第二PID控制器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其结构为：包括激光器1、第一1/2波片2、第一偏振分束器3、第一声光调制器4、第二声光调制器5；1/4波片6、反射镜7、原子气室8、第二1/2波片9、第二偏振分束器10、第二光电探头11、模拟开关12、差分放大器13、外部参考电压14、第一PID控制器15、可调增益放大器16、射频信号源17、第一光电探头18、第二PID控制器19。
激光器1输出的激光经过第一1/2波片2后，进入第一偏振分束器3，垂直所述激光入射方向的光入射到第一声光调制器4，和所述激光入射方向相同的光入射到第二声光调制器5，经过1/4波片6和反射镜7反射镜后沿着原路返回，再次进入第二声光调制器5进行二次移频，出射光经第一偏振分束器3后方向改变90°进入到原子气室8中，之后经过第二1/2波片9出射后进入第二偏振分束器10，一束光经过第一光电探头18，进入第二PID控制器19后反馈至激光器1进行频率锁定，第二偏振分束器10出射的第二束光，经过第二光电探头11后进入到模拟开关12，模拟开关12的输出端和参考电压14作为差分放大器13的两个输入端，差分放大器13的输出信号经过第一PID控制15后，控制射频信号源17的的可调增益放大器16，可调增益放大器16的输出信号连接至第二声光调制器5的输入端。
激光单元1为780nm附近的单频激光发射器。
模拟开关12处于导通状态时，实现第二声光调制器5的功率闭环控制；调节外部参考电压14，实现闭环状态下的第二声光调制器5的功率调整。
模拟开关12处于未导通状态时，直接利用外部参考电压14调节实现第二声光调制器5的功率调节。射频信号源17能够进行动态频率变化，频率范围为第二声光调制器5的出厂带宽内。原子气室8内填充中性铷原子。
一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定方法，其包括如下步骤：
1).激光器1输出780nm波长的激光，频率为ω0，经过第一偏振分束器2后，进入第二声光调制器5；
2)第二声光调制器5的驱动源由射频信号源17经过可调增益放大器16产生；此时第二声光调制器5发生多级衍射，选择正负一级边带，激光频率变为ω0±f(t)，经过1/4波片6和反射镜7后沿原传播方向返回，再次入射到第二声光调制器5，此时激光频率变为ω0±2f(t)，经过第一偏振分束器2发射后进入原子气室8，出射时携带原子光谱信息，经过第二1/2波片9，入射到第二偏振分束器10，透射部分经过第一光电探头18后转换为电压信号，经过第二PID控制器9，调制解调后反馈到激光器1进行频率锁定。
3)经第二偏振分束器10反射的激光，经过第二光电探头11，转换为电压信号。当模拟开关处于断开状态时，该电压信号作为功率实时监控信息；当模拟开关关闭后处于导通状态时，系统处于闭环状态，电压信号与外部参考电压14进行通过差分放大器13完成信号查分，之后信号经过第一PID控制器15，实时调整可调增益放大器16的输出功率大小，实现对第二声光调制器5的功率控制。
为实现激光频率移动时锁频信号的功率稳定，首先利用光谱信号完成激光器锁频，然后开启功率锁定将激光功率稳定在一个固定值。由于激光器输出频率为ω0，经过第二声光调制器5后的出射光频率为ω0±2f(t)，此时动态改变f(t)，即可实现频率跳变时保证功率的稳定性。
以原子冷却过程中的偏振梯度冷却过程为例，设定射频信号源17的起始频率为110MHz，选择出射第二声光调制器5的-2级衍射光进行频率锁定，锁定频率点为Rb87原子的D2线F＝2→F’＝3跃迁谱线(对应频率设为ωa)，则ω0-2*110MHz＝ωa，即激光器的频率为ω0＝ωa+220MHz，频率锁定后开启功率锁定。当偏振冷却过程中，需要动态改变激光器的频率约100MHz，可直接在频率锁定状态下，将射频信号源17的频率从110MHz动态改变为60MHz，此时激光器的频率为ω0＝ωa+120MHz。尽管射频信号源17在变化频率时引起第二声光调制器5的-2级衍射光的变化，但由于开启功率稳定，用于锁频的光谱信号仍可快速恢复至稳定状态。这样即可满足频率变化的需要，同时可以通过功率锁定保证锁频反馈信号的幅度保持不变，从而提升了动态锁频的稳定性。
尽管为说明目的公开的本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：包括：激光器(1)，激光器(1)输出的激光经过第一1/2波片(2)后，进入第一偏振分束器(3)，垂直所述激光入射方向的光入射到第一声光调制器(4)，和所述激光入射方向相同的光入射到第二声光调制器(5)，经过1/4波片(6)和反射镜(7)反射后沿着原路返回，再次进入第二声光调制器(5)进行二次移频，出射光经第一偏振分束器(3)后方向改变90°进入到原子气室(8)中，之后经过第二1/2波片(9)出射后进入第二偏振分束器(10)，一束光经过第一光电探头(18)，进入第二PID控制器(19)后反馈至激光器(1)进行频率锁定，第二偏振分束器(10)出射的第二束光，经过第二光电探头(11)后进入到模拟开关(12)，模拟开关(12)的输出端和外部参考电压(14)作为差分放大器(13)的两个输入端，差分放大器(13)的输出信号经过第一PID控制器(15)后，控制射频信号源(17)的可调增益放大器(16)，可调增益放大器(16)的输出信号连接至第二声光调制器(5)的输入端。
2.根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述的激光器(1)为780nm附近的单频激光发射器。
3.根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：当模拟开关(12)处于导通状态时，实现第二声光调制器(5)的功率闭环控制；通过调节外部参考电压(14)，控制闭环状态下的第二声光调制器(5)的光功率大小。
4.根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述模拟开关(12)处于未导通状态时，直接利用外部参考电压(14)调节实现第二声光调制器(5)的功率调节。
5.根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：所述射频信号源(17)输出至可调增益放大器(16)，进行动态频率变化，频率范围为第二声光调制器(5)的出厂带宽内。
6.根据权利要求1所述的用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定装置，其特征在于：原子气室(8)内填充中性铷原子。
7.一种用于原子干涉仪的激光频率跳变及稳定方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)激光器(1)输出780nm波长的激光，频率为ω0，经过第一偏振分束器(2)后，进入第二声光调制器(5)；
2)第二声光调制器(5)的驱动源由射频信号源(17)经过可调增益放大器(16)产生，此时第二声光调制器(5)发生多级衍射，选择正负一级边带，激光频率变为ω0±f(t)，经过1/4波片(6)和反射镜(7)后沿原传播方向返回，再次入射到第二声光调制器(5)，此时激光频率变为ω0±2f(t)，经过第一偏振分束器(2)发射后进入原子气室(8)，出射时携带原子光谱信息，经过第二1/2波片(9)，入射到第二偏振分束器(10)，透射部分经过第一光电探头(18)后转换为电压信号，经过第二PID控制器(19)，调制解调后反馈到激光器(1)进行频率锁定；
3)经第二偏振分束器(10)反射的激光，经过第二光电探头(11)，转换为电压信号：当模拟开关(12)处于断开状态时，该电压信号作为功率实时监控信息；当模拟开关(12)处于导通状态时，系统处于闭环状态，电压信号与外部参考电压(14)通过差分放大器(13)完成信号查分，之后信号经过第一PID控制器(15)，实时调整可调增益放大器(16)的输出功率大小，实现对第二声光调制器(5)的功率控制。
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