CN114759426A - 一种激光功率的量子稳定方法和装置 - Google Patents

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陈景标
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Abstract

本申请公开了一种激光功率的量子稳定方法和装置。接收输入的第一激光，所述第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；接收输入的第二激光，所述第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光功率已知且稳定；测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，控制第一激光的功率。该方法和装置实现了激光功率的量子稳定控制，不仅能够适应宽范围的激光功率测量，还能保持高精度。

Description

一种激光功率的量子稳定方法和装置
技术领域
本申请涉及光电技术领域，尤其涉及一种利用原子钟内原子跃迁的激光信号功率的量子稳定的方法和装置。
背景技术
在精密测量、激光测距、激光干涉等研究领域，激光器输出功率的波动会直接影响测量的精度以及系统的稳定性，因此对激光输出功率稳定度的要求越来越高。
目前国际上对于激光功率的测量与待测设备的校准，主要是利用激光辐射计和热量计，并使用光电探测器等装置进行功率的测量，根据待测激光参数的不同，测量不确定度范围在0.01％-2％范围内。在国际单位制的定义中，对发光强度的现行定义，其测量不确定度为10-4量级，一些研究组已经在进行新定义的研究，例如通过计数光子数定义坎德拉，但由于发光强度本身的特殊性，涉及人眼的感光问题，进展比较有限。现行方法可达到的功率稳定度较低，已无法满足精密测量等领域的需求。
原子钟由充有原子束的原子钟气室以及相关光路、电路系统组成。其本质是利用原子能级之间的共振跃迁来校准激光器频率或压控振荡器频率。理论上，原子钟输出的频率仅和原子钟能级跃迁频率有关，因此稳定度和准确度较高。目前实现的原子钟准确度已达到了10-16量级，成为最准确的时钟频率基本单位。
对于原子能级的跃迁来说，在外界激光影响下，其原子跃迁频率会发生变化，产生光频移效应，该原理为将激光功率测量转换成频率测量提供了理论基础。此外，目前尚无相关文献进行激光功率的量子稳定方法的研究。
发明内容
本申请提出了一种激光功率的量子稳定方法和装置，以解决激光功率稳定度低的技术缺陷。
本申请提出的一种激光功率的量子稳定方法，包括：
接收输入的第一激光，所述第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；
测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；
接收输入的第二激光，所述第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光功率已知且稳定；
测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；
将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，控制第一激光的功率。
本申请还提出了一种激光功率的量子稳定装置，包括第一激光器、第二激光器、频率测量模块、反馈模块和稳定模块，
所述第一激光器输出第一激光，第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；
所述第二激光器输出第二激光，第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光的功率已知且稳定；
所述频率测量模块接收输入的第一激光，测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；接收输入的第二激光，测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；
所述反馈模块将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，输出到稳定模块；
所述稳定模块接收所述反馈，并控制第一激光的功率。
本申请提出的激光功率的量子稳定方法和装置，将第一激光输入到原子钟后的输出频率与第二激光输入到原子钟后的标定输出频率之差作为反馈来稳定激光功率，提高了激光功率稳定度，既可以在腔外实现激光功率的控制，也可在腔内实现激光功率的控制，解决了激光功率控制中功率稳定度低的缺陷。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的激光功率的量子稳定方法流程示意图；
图2为本发明提供的激光功率的量子稳定装置结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
实施例1
下面结合图1来说明本申请激光功率的量子稳定方法。
步骤110：接收输入的第一激光，所述第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振。
原子钟中原子束的能级跃迁频率在外界光场影响下有频率偏移特性，导致原子钟的输出频率相对没有光场影响时的输出频率发生变化。本实施例中，在第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振前提下，引入所述第一激光到原子钟，原子钟的输出频率将随第一激光的功率变化而变化。
进一步，第一激光与所述原子钟中的原子束方向平行。在本实施例中，原子束方向与第一激光方向平行时，共振效果更好。
步骤120：测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率。
步骤130：接收输入的第二激光，所述第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光功率已知且稳定。
原子钟中原子束的能级跃迁频率在外界光场影响下有频率偏移特性，导致原子钟的输出频率相对没有光场影响时的输出频率发生变化。本实施例中，当第一激光的波长与第二激光的波长相同，都与原子钟能级跃迁频率共振时，原子钟的输出频率变化就由激光功率大小来决定。控制第二激光功率已知且稳定，此时原子钟的输出频率也是稳定的。
进一步，第二激光与所述原子钟中的原子束方向平行。在本实施例中，原子束方向与第二激光方向平行时，共振效果更好。
步骤140：测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率。
所述第二激光的波长、功率是一定的，原子钟的输出频率是稳定的，作为标定输出频率，用于对标其它功率不确定的激光信号。
步骤150：将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，控制第一激光的功率。
所述第一输出频率与标定输出频率之差可大于0、小于0和等于0。
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则第一激光的功率大于第二激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则第一激光的功率小于第二激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则第一激光的功率等于第二激光的功率。
进一步，所述控制包括将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为伺服控制的输入信号，输出激光功率控制量，
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则控制减小第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则控制增大第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则控制第一激光的功率不变。
在本实施例中，根据所述激光功率控制量来控制第一激光的功率。
在本实施例中，所述控制第一激光的功率的方法包括通过声光调制器等外调制器件，控制所述第一激光经过声光调制器时的衍射效率，进而控制所述第一激光的功率。
可选的，所述控制第一激光的功率的方法包括通过调整激光器的腔长、温度等参数来控制所述第一激光的功率。
本方法利用了原子钟的输出频率精度高的特性和原子钟能级跃迁的光频移特性，与现有的激光功率稳定方法相比，本实施例所述激光功率的量子稳定方法能够超越传统光敏探头、热敏探头等测量方法的精度限制，并能够适应低至微瓦(uW)量级，高至拍瓦量级，宽范围的激光功率测量，同时显著提高了激光功率稳定度，降低了激光功率测量的不确定度。
实施例2
图2展示了一种激光功率的量子稳定装置结构示意图，包括第一激光器210、第二激光器220、频率测量模块230、反馈模块240和稳定模块250，具体如下：
所述第一激光器210输出第一激光，第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；
本实施例中，第一激光波长为795nm，功率约1mW。
所述第二激光器220输出第二激光，第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光的功率已知且稳定；
本实施例中，第二激光波长为795nm，功率恒定在1mW。
所述频率测量模块230接收输入的第一激光，测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；接收输入的第二激光，测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；
本实施例中，频率测量模块230包括原子钟，具体是10MHz的铷原子钟。第二激光输入到频率测量模块后，铷原子钟输出频率增加了0.13Hz，即产生1.3E-8(@10MHz)的频率移动。第一激光输入到频率测量模块后，铷原子钟的输出频率变化为0.10～0.16Hz。
优选的，通过定时开关装置切换第一激光和第二激光进入频率测量模块230，如每隔1分钟切换第一激光进入频率测量模块，持续50秒，然后切换第二激光进入测量模块，持续10秒。该方法和装置降低了输出频率测量的系统误差，提高测量的准确性。
所述反馈模块240将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，输出到稳定模块250；
在本实施例中，
所述稳定模块250接收所述反馈，并控制第一激光的功率。
进一步，所述稳定模块250模块接收反馈，并控制第一激光的功率，包括，
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则第一激光的功率大于第二激光功率，控制减小第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则第一激光的功率小于第二激光功率，控制增大第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则第一激光的功率等于第二激光功率，控制第一激光的功率不变。
进一步，控制减小第一激光的功率，或控制增大第一激光的功率后，第一激光器输出的激光再输入到频率测量模块230中，得到第一激光的输出频率，由反馈模块240将第一激光的输出频率与标定输出频率之差作为反馈输入到稳定模块250中，控制第一激光的功率。
本实施例中，由于标定激光作用后铷原子钟的输出频率增加了0.13Hz，即产生1.3E-8(@10MHz)的频率移动。以铷钟秒稳3E-12为参考，则可将1mW处激光秒级相对功率稳定到1E-4量级。
本申请的装置实现了激光功率的量子稳定，显著提高了激光功率稳定度。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种激光功率的量子稳定方法，其特征在于，包括：
接收输入的第一激光，所述第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；
测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；
接收输入的第二激光，所述第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光功率已知且稳定；
测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；
将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，控制第一激光的功率。
2.根据权利要求1所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，所述第一激光和第二激光中至少一个与所述原子钟中的原子束方向平行。
3.根据权利要求1所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，包括：
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则第一激光的功率大于第二激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则第一激光的功率小于第二激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则第一激光的功率等于第二激光的功率。
4.根据权利要求3所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，所述控制包括将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为伺服控制的输入信号，输出激光功率控制量，
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则控制减小第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则控制增大第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则控制第一激光的功率不变。
5.根据权利要求4所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，根据所述激光功率控制量来控制第一激光的功率。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，控制第一激光的功率的方法包括通过外调制器件，控制所述第一激光经过声光调制器时的衍射效率，进而调整第一激光的功率。
7.根据权利要求1～5任意一项所述的激光功率的量子稳定方法，其特征在于，控制第一激光的功率的方法包括通过调整激光器的腔长和/或温度参数来调整所述第一激光的功率。
8.一种激光功率的量子稳定装置，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、频率测量模块、反馈模块和稳定模块，
所述第一激光器输出第一激光，第一激光的波长与原子钟能级跃迁频率共振；
所述第二激光器输出第二激光，第二激光的波长与第一激光的波长相同，第二激光的功率已知且稳定；
所述频率测量模块接收输入的第一激光，测量原子钟的输出频率，作为第一输出频率；接收输入的第二激光，测量原子钟的第二输出频率，作为标定输出频率；
所述反馈模块将所述第一输出频率与标定输出频率之差作为反馈，输出到稳定模块；
所述稳定模块接收所述反馈，并控制第一激光的功率。
9.根据权利要求8所述激光功率的量子稳定装置，其特征在于，所述稳定模块接收所述反馈，并控制第一激光的功率，包括：
若所述第一输出频率与标定输出频率之差大于0，则控制减小第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差小于0，则控制增大第一激光的功率；
若所述第一输出频率与标定输出频率之差等于0，则控制第一激光的功率不变。
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