CN115133387A - 产生多频相干激光的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种产生多频相干激光的装置及方法，该装置包括：激光器，用于产生种子光；信号发生器，用于产生调制信号和解调信号；伺服模块，用于生成控制信号；强度调制型电光调制器，用于接收调制信号和控制信号，并对种子光进行调制，生成第一调制光信号；保偏光纤分束器，用于按照预设功率比将第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号；预处理模块，用于接收解调信号和反馈光信号，通过混频和移相生成误差信号；光纤放大器，用于将第二调制光信号进行功率放大；周期性极化晶体，用于将功率放大后的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，多频相干激光中相邻两频率分量间的频率差为射频信号频率的2倍。

Description

产生多频相干激光的装置及方法
技术领域
本公开涉及光电技术和量子信息领域，具体涉及一种产生多频相干激光的装置及方法。
背景技术
借助受激拉曼跃迁过程操控物理系统的量子态是实现量子调控的基本方法之一。实现受激拉曼跃迁过程的关键技术是获得具有特定频差的多频相干激光。目前，主要有三种技术手段获得具有特定频差的多频相干激光：其一，利用相位型电光调制器(Electro-Optic Modulators，EOM)直接调制激光得到具有特定频差的多频相干激光，利用具有特定频差的多频相干激光实现受激拉曼跃迁。其二，利用主从激光器锁定的方法，由高频EOM调制出主激光器产生的激光的边带，通过边带注入锁定技术，利用从激光器将主激光器产生的激光的边带锁定，这样可以有效消除载波分量，得到具有特定频差的多频相干激光。其三，利用脉冲锁模激光器，锁模激光器输出的激光频谱中包含一系列间隔等于其重复频率的频率梳齿，通过额外的声光调制器(Acousto-Optical Modulators，AOM)移频，总可以在两束拉曼光中产生频率间隔等于相应能级劈裂频率的两个频率梳齿，由此得到具有特定频差的多频相干激光。
上述技术手段存在得到的多频相干激光频差调谐范围受限、使用的装置维护困难等问题。
发明内容
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种产生多频相干激光的装置及方法，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本公开的一方面提供了一种产生多频相干激光的装置，包括：
激光器，用于产生种子光，上述种子光为波长可调的线偏振光；信号发生器，用于产生相同相位和相同频率的调制信号和解调信号，其中，上述调制信号和解调信号的信号频率可调；伺服模块，用于产生控制信号，上述控制信号的幅值可调；强度调制型电光调制器，用于接收上述调制信号和上述控制信号，并对上述种子光进行调制，生成第一调制光信号，上述第一调制光信号包括调制边带光信号；保偏光纤分束器，用于按照预设功率比将上述第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，上述第二调制光信号包括调制边带光信号；预处理模块，用于接收上述解调信号和上述反馈光信号，通过混频和移相生成误差信号，以便上述伺服模块接收误差信号，并基于上述误差信号产生上述控制信号；光纤放大器，用于上述第二调制光信号的功率放大；周期性极化晶体，用于将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，上述多频相干激光中相邻两激光间的频率差为上述射频信号频率的2倍。
根据本公开实施例，上述强度调制型电光调制器使用马赫-曾德干涉仪结构，上述马赫-曾德干涉仪结构包括两条等长的工作臂、射频信号调制端口和控制信号调制端口；上述射频信号调制端口用于接收上述调制信号，上述控制信号调制端口接收上述控制信号；上述两条等长的工作臂基于上述调制信号和上述控制信号，改变两条等长的工作臂上传输的上述种子光的光程差，生成上述第一调制光信号。
根据本公开实施例，上述信号发生器产生的上述调制信号和解调信号的频率为使用上述多频相干激光进行受激拉曼跃迁的对应粒子的能级劈裂频率的一半。
根据本公开实施例，上述伺服模块产生的上述控制信号的电压为使上述马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点的偏置半波电压。
根据本公开实施例，上述预处理模块包括：
光电探测器，用于接收上述反馈光信号，生成反馈电信号；微波移相器，用于对上述反馈电信号进行移相，生成移相后的反馈电信号；混频器，用于对上述反馈电信号和上述解调信号进行混频，生成混频信号；低通滤波器，用于对上述混频信号进行滤波，生成误差信号，上述误差信号用于表征上述马赫-曾德干涉仪结构两条等长的工作臂上传输的种子光的光程差。
根据本公开实施例，上述产生多频相干激光的装置还包括：
聚焦透镜，设置于上述光纤放大器与上述周期性极化晶体之间，上述聚焦透镜用于控制上述第二调制光信号全部进入上述周期性极化晶体；上述周期性极化晶体相对上述光纤放大器的另一端设置有准直透镜，上述准直透镜用于对上述多频相干激光进行准直。
根据本公开实施例，上述激光器与上述强度调制型电光调制器之间、上述强度调制型电光调制器与上述保偏光纤分束器之间、上述保偏光纤分束器与上述光纤放大器之间以及上述保偏光纤分束器与上述预处理模块之间使用保偏光纤进行连接。
根据本公开实施例，上述信号发生器与上述强度调制型电光调制器之间、上述信号发生器与上述预处理模块之间、上述预处理模块与上述伺服模块之间以及上述伺服模块与上述强度调制型电光调制器之间使用同轴电缆进行连接。
本公开的另一方面，提供了一种产生多频相干激光的方法，包括：
利用激光器产生种子光，上述种子光为波长可调的线偏振光；利用信号发生器产生相同相位和相同频率的调制信号和解调信号，上述调制信号和解调信号的信号频率可调；上述调制信号的频率等于上述解调信号的频率；利用伺服模块产生控制信号，上述控制信号的幅度可调；利用强度调制型电光调制器接收上述调制信号和上述控制信号，并对上述种子光进行调制，生成第一调制光信号，上述第一调制光信号包括调制边带光信号；利用保偏光纤分束器按照预设功率比将上述第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，上述第二调制光信号包括调制边带光信号；利用预处理模块接收上述解调信号和上述反馈光信号，通过混频和调相生成误差信号，以便上述伺服模块接收上述误差信号，并基于上述误差信号产生上述控制信号；利用光纤放大器将上述第二调制光信号的功率放大；利用周期性极化晶体将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，上述多频相干激光中相邻两激光间的频率差为上述射频信号频率的2倍。
根据本公开实施例，上述伺服模块接收上述误差信号，并基于上述误差信号产生上述控制信号包括：
上述伺服模块基于上述预处理模块生成的误差信号，通过PID算法产生上述控制信号，上述控制信号的电压为使上述马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点的偏置半波电压。
基于上述技术方案可以看出，本公开的实施例相对于现有技术具有如下有益效果：
本公开提供的产生多频相干激光的装置使用光纤以及光纤光学器件，不使用反射镜，具备和光纤激光器一致的稳定效果，因此产生多频相干激光的功率和指向都很稳定，多频相干激光具有高稳定性特点。
本公开提供的产生多频相干激光的装置可以同时产生可见波段和近红外波段的多频相干激光。
本公开提供的产生多频相干激光的装置使用工作带宽较宽的强度调制型电光调制器和周期性极化晶体，以便灵活调节产生多频相干激光的频差。
本公开提供的产生多频相干激光的装置使用强度调制型电光调制器，可以通过调制实现拓展多频相干光的频差范围、消除多余频率分量的效果。
本公开提供的产生多频相干激光的装置只需要一个激光器产生种子光，结构简单、成本低、易维护。
本公开提供的产生多频相干激光的装置适用于离子-原子混合系统或异种离子混合系统，即可以用其同时完成对离子和原子或异种离子的量子态相干操纵，现有技术无法实现上述效果。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开的实施例的产生多频相干激光的装置的框图；
图2示意性示出了根据本公开的另一实施例的产生多频相干激光的装置的框图；
图3示意性示出了根据本公开的实施例的强度调制型电光调制器输出的第一调制光信号所包含的频率分量示意图；
图4示意性示出了根据本公开的实施例的周期性极化晶体输出的多频相干激光所包含的频率分量示意图。
1-激光器；
2-保偏光纤；
3-第一光纤耦合头及连接的保偏光纤；
4-强度调制型电光调制器，401-调制信号调制端口，402-控制信号调制端口；
5-保偏光纤分束器，501-输入端光纤，502-第二调制光信号输出端光纤，503-反馈光信号输出端光纤；
6-光纤放大器；
7-聚焦透镜；
8-周期性极化晶体；
9-准直透镜；
10-光学分束器；
11-第二光纤耦合头及连接的保偏光纤；
12-低通滤波器；
13-伺服模块，131-控制信号，132-误差信号；
14-光电探测器；
15-第三光纤耦合头及连接的保偏光纤；
16-信号发生器，161-调制信号，162-解调信号，163-功率分束器；
17-混频器；
18-微波移相器；
19-预处理模块。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
获得具有特定频差的多频相干激光的方法可以分为利用相位型电光调制器直接调制的方法、利用主从激光器锁定的方法和利用脉冲锁模激光器结合额外的AOM移频的方法。
在实现本公开构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：
利用相位型电光调制器直接调制的方法，如果采用基于块状光学晶体的空间EOM调制激光，受限于此类EOM谐振带宽窄的缺点，产生的激光的频差调谐范围受限；如果采用宽带光纤EOM调制激光，可以实现大范围地调谐频差，但宽带光纤EOM通常工作在红外波段，而大多数囚禁粒子的D1线的跃迁波长属于紫外或者蓝光波段，经过宽带光纤EOM调制获得的红外波段的多频相干激光难以驱动粒子实现受激拉曼跃迁。
利用主从激光器锁定的方法可以有效消除相位噪声，但这种方法需要一台额外的激光器，且装置的搭建和维护的成本高。
利用脉冲锁模激光器结合额外的AOM移频的方法所需的锁模激光器价格昂贵，且系统复杂、不易维护；此外，锁模脉冲光在光纤中的传输受到脉冲展宽效应的限制，不利于该方法实现光纤集成。
在混合冷原子系统中，例如镱离子和钡离子的混合系统中，实现一台激光器同时操控几种不同粒子的受激拉曼跃迁，需要可编程地控制多频相干激光的频差。
为了至少部分地解决相关技术中存在的技术问题，本公开的一方面提供了一种产生多频相干激光的装置，包括：
激光器1，用于产生种子光，种子光为波长可调的线偏振光。
信号发生器16，用于产生相同相位和相同频率的调制信号161和解调信号162，其中，调制信号161和解调信号162的信号频率可调。
伺服模块13，用于产生控制信号131，控制信号131电压可调。
强度调制型电光调制器4，用于接收调制信号161和控制信号131，并对种子光进行调制，生成第一调制光信号，第一调制光信号包括调制边带光信号。
保偏光纤分束器5，用于按照预设功率比将第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，第二调制光信号包括调制边带光信号。
预处理模块19，用于接收解调信号162和上述反馈光信号，生成误差信号以便伺服模块13接收误差信号，并基于误差信号产生控制信号131。
光纤放大器6，用于将第二调制光信号的功率放大。
周期性极化晶体8，用于将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，多频相干激光中相邻两激光间的频率差为射频信号频率的2倍。
图1示意性示出了根据本公开的实施例的产生多频相干激光的装置的框图。
如图1所示，根据该实施例的产生多频相干激光的装置可以包括：
激光器1，用于产生种子光，种子光为波长可调的线偏振光。
更具体的，激光器1产生的种子光波长可以在近红外波段，种子光在激光器1中经过激光稳频后输送到强度调制型电光调制器4等待调制。
信号发生器16产生调制信号161和解调信号162。调制信号161输送到强度调制型电光调制器4参与种子光的调制，解调信号162输送到预处理模块19参与误差信号的产生。
更具体的，信号发生器16还可以是多通道可同步的信号发生器，则信号发生器16可以直接产生同相位同频率的调制信号161和解调信号162。
更具体的，调制信号161的幅度控制在预设区间内，以满足调制要求。如果调制信号161幅度过小，导致调制后产生的调制光信号的边带分量光强较弱，达不到光纤放大器6最低输入光强要求；调制信号161幅度过大，导致调制后产生的调制光信号出现高阶边带分量，使调制光信号的能量分散到高阶边带分量上，影响多频相干激光的性能。
更具体的，调制信号161和解调信号162的频率和相位均相同。解调信号162的幅度处于合理区间，以使预处理模块19基于解调信号162获得合适的误差信号的幅度。
伺服模块13，用于产生控制信号131，控制信号131的幅度根据强度调制型电光调制器工作点的变化而变化，控制信号使得强度调制型电光调制器4稳定工作在最小工作点。
强度调制型电光调制器4，用于接收调制信号161和控制信号131，并对种子光进行调制，生成第一调制光信号，第一调制光信号包括调制边带光信号。
更具体的，强度调制型电光调制器4接收到调制信号161，获得调制信号161的幅度对应的电压，调节射频信号的频率为对应粒子能级劈裂频率的一半，调节射频信号的幅度为合适值，一方面使得调制光信号中所需边带的幅度足够，另一方面避免高阶边带的产生。其中，使强度调制型电光调制器4中被调制的光信号相位改变π时的交流信号幅度，称为调制器的射频半波电压。
更具体的，强度调制型电光调制器4接收到控制信号131，获得控制信号131的电压，控制信号131会将强度调制型电光调制器的工作点锁定在其最小工作点。其中，使强度调制型电光调制器4中被调制的光信号相位改变π时的控制信号131幅度，称为调制器的偏置半波电压。
更具体的，强度调制型电光调制器4基于接收调制信号161和控制信号131对种子光进行调制，生成第一调制光信号。第一调制光信号包括以种子光的频率为频率中点，距频率中点的频差为调制信号161的频率的两侧边带光。
保偏光纤分束器5，用于按照预设功率比将第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，第二调制光信号包括调制边带光信号。
预处理模块19，用于接收解调信号162和上述反馈光信号，生成误差信号以便伺服模块13接收误差信号，并基于误差信号产生控制信号131，调制信号131的幅度根据强度调制型电光调制器4工作点的变化而变化，调制信号131使得强度调制型电光调制器4稳定工作在最小工作点。
更具体的，伺服模块13可以基于误差信号获得强度调制型电光调制器4的工作点漂移，从而调节产生的控制信号131的电压。强度调制型电光调制器4基于控制信号131对工作点进行修正和锁定，使得强度调制型电光调制器4生成的第一调制光信号的能量集中于两侧边带光。
光纤放大器6，用于将第二调制光信号的功率放大。
更具体的，按照预设功率比分束得到的第二调制光信号的功率可以满足光纤放大器6最低输入光功率限制，使得光纤放大器6可以正常工作，将第二调制光信号的功率放大。
周期性极化晶体8，用于将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，多频相干激光中相邻两激光间的频率差为射频信号频率的2倍。
更具体的，周期性极化晶体8得到的多频相干激光为具有种子光频率的2倍的频率的基波，以及频率差为射频信号频率2倍的两侧边带。
下面参考图2～图4，结合具体实施例对图1所示的装置做进一步说明。
图2是示意性示出了根据本公开的另一实施例的产生多频相干激光的装置的框图。
如图2所示，激光器1产生的种子光为波长可调的线偏振光，其中，线偏振光的偏振方向满足强度调制型电光调制器4输入的偏振方向要求。可以使用现有的不同种类的激光器作为激光器1实现种子光波长可调。激光器1产生的种子光频率在产生多频相干激光时是锁定的。
种子光经过保偏光纤2和第一光纤耦合头及连接的保偏光纤3输入到强度调制型电光调制器4。
其中，保偏光纤2和第一光纤耦合头及连接的保偏光纤3的保偏光纤可以保持种子光的偏振态不变。
根据本公开的实施例，信号发生器16还可以是单通道可同步的信号发生器，则信号发生器16可以直接产生一个射频信号，使用功率分束器163产生同相位同频率的调制信号161和解调信号162。
调制信号161经过同轴电缆输入到强度调制型电光调制器4参与种子光的调制，产生第一调制光信号，产生的第一调制光信号包括以种子光的频率为频率中点，距频率中点的频差为调制信号161的频率的两侧边带光。通过调节信号发生器16产生的射频信号的频率可以实现调节第一调制光信号两侧边带光的频差。
根据本公开的实施例，调制信号161的幅度需要控制在预设区间内。可以通过控制信号发生器16输出的射频信号功率实现控制调制信号161的幅度，如果调制信号功率过低，可以在信号发生器16和功率分束器163之间设置射频放大器调节；如果射频信号功率过高，可以在信号发生器16和功率分束器163之间设置射频衰减器调节。
调制信号161经过同轴电缆输入到强度调制型电光调制器4。
解调信号162经过同轴电缆输入到预处理模块19。
根据本公开的实施例，伺服模块13产生电压可调的控制信号131，控制信号131经过同轴电缆输入到强度调制型电光调制器4。
根据本公开的实施例，强度调制型电光调制器4可以使用马赫-曾德干涉仪结构，马赫-曾德干涉仪结构包括两条等长的工作臂、射频信号调制端口401和控制信号调制端口402。
射频信号调制端口401用于接收调制信号161，控制信号调制端口402接收控制信号131。
两条等长的工作臂基于调制信号161和控制信号131，改变两条等长的工作臂上传输的种子光的光程差，生成第一调制光信号。
马赫-曾德干涉仪结构接收控制信号131的控制，工作在最小工作点；马赫-曾德干涉仪结构接收调制信号161，在最小工作点的状态下将种子光调制为第一调制光信号。第一调制光信号包括以种子光的频率为频率中点，距频率中点的频差为调制信号频率的两侧边带光。
根据本公开的实施例，保偏光纤分束器5包括输入端光纤501、第二调制光信号输出端光纤502和反馈光信号输出端光纤503。
更具体的，输入端光纤501、第二调制光信号输出端光纤502和反馈光信号输出端光纤503可以为保偏光纤。
第一调制光信号经过输入端光纤501进入保偏光纤分束器5，保偏光纤分束器5按照预设功率比将第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号。
其中，第二调制光信号经过第二调制光信号输出端光纤502输入到光纤放大器6，第二调制光信号大于满足光纤放大器6的最低输入光功率，以使光纤放大器6可以正常工作，对第二调制光信号的功率进行放大。
反馈光信号经过反馈光信号输出端光纤503输入到预处理模块19，反馈光信号可以用于表征第二调制光信号的光信号成分。
根据本公开的实施例，马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点时输出的第一调制光信号只包括两侧边带光，但是在工作过程中马赫-曾德干涉仪结构可能受到温度、输入光强、使用时长和/或静电等因素的影响，使得最小工作点发生漂移，使两条等长的工作臂上传输的种子光的光程差发生改变，导致产生输出的第一调制光信号还包括频率为种子光的频率的基波信号。
根据本公开的实施例，调节控制信号131的电压稳定马赫-曾德干涉仪结构最小工作点，可以由如下方式实现：
根据本公开的实施例，预处理模块19基于解调信号162和反馈光信号生成误差信号132；伺服模块13基于误差信号132生成控制信号131，控制信号131可以使马赫-曾德干涉仪结构稳定工作在最小工作点。
根据本公开的实施例，预处理模块19包括：
光电探测器14，用于接收反馈光信号，生成反馈电信号。
更具体的，反馈光信号以光纤耦合的方式输入到光电探测器14，光电探测器14将反馈光信号转化为反馈电信号，反馈电信号的电压正比于反馈光信号的光强。
微波移相器18，用于对反馈电信号进行移相，生成移相后的反馈电信号。
混频器17，用于对反馈电信号和解调信号162进行混频，生成混频信号。
低通滤波器12，用于对混频信号进行滤波，生成误差信号132，误差信号132用于表征马赫-曾德干涉仪结构两条等长的工作臂上传输的种子光的光程差。
更具体的，微波移相器18调节光电探测器14产生的反馈电信号的相位，使得移相后的反馈电信号经过混频和滤波操作后产生的误差信号132的信号包络是关于信号幅度中心对称的信号。
更具体的，预处理模块19中各部分通过同轴电缆传输信号。
误差信号132经过同轴电缆输入到伺服模块13。
根据本公开的实施例，伺服模块13基于误差信号132，通过PID算法产生控制信号131，控制信号131的电压随着马赫-曾德干涉仪的工作点的变化而变化，使马赫-曾德干涉仪结构稳定工作在最小工作点
更具体的，伺服模块13接收误差信号132后可以得到第二调制光信号的光信号成分信息，从而得到马赫-曾德干涉仪结构工作时两工作臂上传输的种子光的光程差的实时信息，通过PID算法产生的控制信号131可以调节马赫-曾德干涉仪结构工作时两工作臂上传输的种子光的光程差，使两工作臂上传输的种子光保持π的相位差，实现使马赫-曾德干涉仪结构稳定工作在最小工作点。
图3示意性示出了根据本公开的实施例的强度调制型电光调制器4输出的第一调制光信号所包含的频率分量示意图。
如图3所示，第一调制光信号包括种子光经过马赫-曾德干涉仪结构调制后产生的两个边带分量的频率分别为ω0-ω1和ω0+ω1。其中ω0为种子光的频率，即载波分量的频率；ω1为施加在射频信号调制端口401上的调制信号161的频率。调制信号161由信号发生器16产生，为对应使用所述多频相干激光进行受激拉曼跃迁的对应粒子的能级劈裂频率的一半。
根据本公开实施例，马赫-曾德干涉仪结构基于施加在控制信号调制端口402的电压工作在不同工作点。如果施加的电压使得调制器输出最大，两工作臂上种子光的光场干涉相长，则称其为最大工作点；如果施加的电压使得调制器输出最小，两工作臂上种子光的光场干涉相消，则称其为最小工作点。当马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点时，调制信号调制端口401接收调制信号161，控制信号调制端口402接受控制信号131，使马赫-曾德干涉仪结构输出的第一调制光信号的光场中只包含边带成分，载波成分被抑制。
根据本公开的实施例，第一调制光信号经过保偏光纤分束器5按照预设功率比分为第二调制光信号和反馈光信号，第二调制光信号经光纤放大器6功率放大后输入到周期性极化晶体8进行倍频处理，得到多频相干激光。多频相干激光为具有种子光频率的2倍的频率的基波，以及频率差为射频信号频率2倍的两侧边带。通过调节信号发生器16产生的射频信号的频率可以实现调节多频相干激光的频差。
根据本公开的实施例，光纤放大器6包括控制器和激光输出头，它们之间使用传能光纤连接。控制器包括激光输入头，激光输入头接收第二调制光信号，光纤放大器6将第二调制光信号的功率增强，激光输出头以空间光的方式输出功率放大后的第二调制光信号。光纤放大器6存在最低输入光功率限制，将第二调制光信号输出端光纤502接入光纤放大器6的激光输入头，保证第二调制光信号的功率大于光纤放大器6的最低输入光功率限制，使光纤放大器6正常工作。
根据本公开实施例，光纤放大器6与周期性极化晶体8之间设置有聚焦透镜7。当马赫-曾德干涉仪结构稳定工作在最小工作点时，输入到光纤放大器6中的第二调制光信号的光场只包含两个边带频率分量。光纤放大器6以空间光的形式输出功率放大后的第二调制光信号。由于周期性极化晶体8的端面面积较小，使用聚焦透镜7可以保证功率放大后的第二调制光信号全部进入周期性极化晶体8。
根据本公开的实施例，周期性极化晶体8可以为周期极化铌酸锂(PeriodicallyPoled Lithium Niobate，PPLN)晶体或周期极化钽酸锂(Periodically PoledStoichiometric LiTaO3，PPSLT)晶体。
根据本公开的实施例，周期性极化晶体8的倍频效率与温度以及输入光信号的光场频率有关。在输入光场频率一定的情况下，可以通过设置温度调节装置实现调节晶体温度，以便得到使倍频效率最大的温度，温度调节装置还用于使周期性极化晶体8倍频效率稳定。
根据本公开的实施例，周期性极化晶体8的倍频效率高，只需要第二调制光信号单次通过周期性极化晶体8，就可以获得较强的多频相干激光，不需要借助光学谐振腔实现倍频，所以不受限于光学谐振腔的峰宽的影响。周期性极化晶体8的带宽可调且可调区间大于使用光学谐振腔进行倍频的带宽可调区间。
根据本公开的实施例，现有的强度调制型电光调制器的工作波段大多处于红外或者近红外波段，而大多数可以进行受激拉曼跃迁的粒子的D1线跃迁波段对应于紫外或者蓝光波段，这些波段利用现有的强度调制型电光调制器难以获取。本公开的实施例利用周期性极化晶体8通过二次谐波，即倍频过程将红外或者近红外波段光转化为紫外或者蓝光波段。
根据本公开的实施例，周期性极化晶体8相对光纤放大器6的另一端设置有准直透镜9，准直透镜9用于对多频相干激光进行准直。
根据本公开的实施例，经过周期极化倍频晶体8的产生的多频相干激光的空间光路仅需要透镜聚焦，在多频相干激光的产生过程中不涉及任何反射镜，避免了装置使用过程中反射镜抖动带来的误差，装置具备和激光器1一致的稳定效果，因此多频相干激光的功率和指向都很稳定。
根据本公开的实施例，根据强度调制型电光调制器4和周期性极化晶体8的工作带宽，产生的多频相干激光的频差范围可以在几GHz至80GHz。
图4示意性示出了根据本公开的实施例的周期性极化晶体8输出的多频相干激光所包含的频率分量示意图。
如图4所示，第二调制光信号中的两个边带分量经过二次谐波过程后，频率为ω0-ω1的边带分量转化为频率为2ω0-2ω1的边带分量，频率为ω0+ω1的边带分量转化为频率为2ω0+2ω1的边带分量，在二次谐波过程中，上述两个边带分量组合还会出现频率为2ω0的基波分量。
根据本公开的实施例，还可以在准直透镜9后设置光学分束器10，多频相干激光经过光学分束器10后分束为沿多频相干激光传播方向的实验用多频相干激光和垂直于多频相干激光传播方向的观察用多频相干激光。通过第二光纤耦合头及连接的保偏光纤11传输实验用多频相干激光；通过第三光纤耦合头及连接的保偏光纤15传输观察用多频相干激光，以便对观察用多频相干激光的频率成分进行分析。
根据本公开实施例，在实际使用多频相干激光驱动受激拉曼跃迁的是频率为2ω0-2ω1的边带分量和为频率为2ω0+2ω1的边带分量，为保证获得最大的相互作用强度，所以为了使多频相干激光集中在所需要的边带分量上，在对种子光进行调制时就需要使马赫-曾德干涉仪结构稳定工作在最小工作点，得到只包括频率分别为ω0-ω1和ω0+ω1的边带分量的第一调制光信号。
根据本公开的实施例，光纤放大器6是根据使用多频相干激光进行受激拉曼跃迁的对应粒子执行受激拉曼跃迁所需波长而选择的，可以需求配置其他种类光纤放大器。
根据本公开的实施例，激光器1也可以由其他种类激光器替换，只要替换激光器输出的光功率能够提供足够的相互作用强度即可。
根据本公开的实施例，对于产生驱动镱原子受激拉曼跃迁的多频相干激光的装置，可以使用1064nm的种子光的激光器作为激光器1，使用1064nm波长对应的第一保偏光纤及耦合头3、强度调制型电光调制器4、保偏光纤分束器5、聚焦透镜7和周期性极化晶体8；使用种子光半波长，即532nm波长对应的准直透镜9、第二保偏光纤及耦合头11和第三保偏光纤及耦合头15；使用掺镱光纤放大器作为光纤放大器6，掺镱光纤放大器工作在红外波段，具体的工作波长为976nm至1120nm，输出激光的线宽为kHz量级，具备大于23dB的偏振度，在放大器最大工作电流下可以获得超过50W的光功率；设置信号发生器16输出频率为6.32GHz。
根据本公开的实施例，对于产生驱动钡原子受激拉曼跃迁的多频相干激光的装置，可以使用1064nm的种子光的激光器作为激光器1，使用1064nm波长对应的第一保偏光纤及耦合头3、强度调制型电光调制器4、保偏光纤分束器5、聚焦透镜7和周期性极化晶体8；使用种子光半波长，即532nm波长对应的准直透镜9、第二保偏光纤及耦合头11和第三保偏光纤及耦合头15；使用掺镱光纤放大器作为光纤放大器6，掺镱光纤放大器工作在红外波段，具体的工作波长为976nm至1120nm，输出激光的线宽为kHz量级，具备大于23dB的偏振度，在放大器最大工作电流下可以获得超过50W的光功率；设置信号发生器16输出频率为4.02GHz。
根据本公开的实施例，对于产生驱动铷原子受激拉曼跃迁的多频相干激光的装置，可以使用1560nm的种子光的激光器作为激光器1，使用1560nm波长对应的第一保偏光纤及耦合头3、强度调制型电光调制器4、保偏光纤分束器5、聚焦透镜7和周期性极化晶体8；使用种子光半波长，即780nm波长对应的准直透镜9、第二保偏光纤及耦合头11和第三保偏光纤及耦合头15；使用掺铒光纤放大器作为光纤放大器6，掺镱光纤放大器工作在红外波段，具体的工作波长为1530nm至1598nm，输出激光的线宽为kHz量级，具备大于20dB的偏振度，在放大器最大工作电流下可以获得超过15W的光功率；设置信号发生器16输出频率为3.417GHz。
根据本公开的实施例，该装置的器件成本低，且装置不包括反射镜模块，即不会在使用中产生不必要的抖动，使得光束功率和指向稳定；可以通过调节激光器1、信号发生器16和伺服模块13的输出量的数值，灵活调节电光调制器的驱动频率，得到适用于多种粒子进行受激拉曼跃迁的多频相干激光。
根据本公开的实施例，提供了一种可工作在可见和红外波段、调制带宽大、易维护、稳定性高、成本低且光纤兼容的产生频差可编程多频相干激光的装置，装置产生的多频相干激光适用于离子-原子混合系统或异种离子混合系统，即可以用多频相干激光同时完成对离子和原子或异种离子的量子态相干操纵。
本公开的另一方面提供了一种产生多频相干激光的方法，包括：
利用激光器2产生种子光，种子光为波长可调的线偏振光。
利用信号发生器16产生调制信号161和解调信号162；调制信号161的频率等于解调信号162的频率且调制信号161和解调信号162频率可调。
利用伺服模块13产生控制信号131，控制信号131电压可调。
利用强度调制型电光调制器4接收调制信号161和控制信号131，并对种子光进行调制，生成第一调制光信号，第一调制光信号包括调制边带光信号。
利用保偏光纤分束器5按照预设功率比将上述第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，第二调制光信号包括调制边带光信号。
利用预处理模块19接收162解调信号和反馈光信号，生成误差信号132，伺服模块13接收误差信号132，并基于误差信号132产生控制信号131。
利用光纤放大器6将第二调制光信号的功率放大。
利用周期性极化晶体8将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，多频相干激光中相邻两激光间的频率差为射频信号频率的2倍，即多频相干激光中相邻两激光间的频率差为使用多频相干激光进行受激拉曼跃迁的对应粒子的能级劈裂频率。
根据本公开的实施例，伺服模块13接收误差信号132，并基于误差信号132产生控制信号131包括：
伺服模块13基于预处理模块19生成的误差信号132，通过PID算法产生控制信号131，控制信号131的电压为使马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点的偏置半波电压。
根据本公开实施例，产生多频相干激光的方法利用强度调制和倍频过程产生多频相干激光，可以获得只包括所需要的边带信号的频谱成分，避免了频谱成分过多而导致激光相干相消的问题，能够提升相互作用强度。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产生多频相干激光的装置，包括：
激光器，用于产生种子光，所述种子光为波长可调的线偏振光；
信号发生器，用于产生相同相位和相同频率的调制信号和解调信号，其中，所述调制信号和解调信号的信号频率可调；
伺服模块，用于产生控制信号，所述控制信号的幅值可调；
强度调制型电光调制器，基于接收的所述调制信号和所述控制信号对所述种子光进行调制，生成第一调制光信号，所述第一调制光信号包括调制边带光信号；
保偏光纤分束器，用于按照预设功率比将所述第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，所述第二调制光信号包括调制边带光信号；
预处理模块，用于接收所述解调信号和所述反馈光信号，通过混频和移相生成误差信号，以便所述伺服模块接收所述误差信号，并基于所述误差信号产生所述控制信号；
光纤放大器，用于所述第二调制光信号的功率放大；
周期性极化晶体，用于将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，所述多频相干激光中相邻两激光间的频率差为所述调制信号频率的2倍。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述强度调制型电光调制器使用马赫-曾德干涉仪结构，所述马赫-曾德干涉仪结构包括两条等长的工作臂、射频信号调制端口和控制信号调制端口；
所述射频信号调制端口用于接收所述调制信号，所述控制信号调制端口接收所述控制信号；
所述两条等长的工作臂基于所述调制信号和所述控制信号，改变两条等长的工作臂上传输的所述种子光的光程差，生成所述第一调制光信号。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号发生器产生的所述调制信号和解调信号的频率为使用所述多频相干激光进行受激拉曼跃迁的对应粒子的能级劈裂频率的一半。
4.如权利要求2所述的装置，其中，所述伺服模块产生的所述控制信号的电压为使所述马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点的偏置半波电压。
5.如权利要求2所述的装置，其中，所述预处理模块包括：
光电探测器，用于接收所述反馈光信号，生成反馈电信号；
微波移相器，用于对所述反馈电信号进行移相，生成移相后的反馈电信号；
混频器，用于对所述反馈电信号和所述解调信号进行混频，生成混频信号；
低通滤波器，用于对所述混频信号进行滤波，生成误差信号，所述误差信号用于表征所述马赫-曾德干涉仪结构两条等长的工作臂上传输的所述种子光的光程差。
6.如权利要求1所述的装置，还包括：
聚焦透镜，设置于所述光纤放大器与所述周期性极化晶体之间，所述聚焦透镜用于控制所述第二调制光信号全部进入所述周期性极化晶体；
所述周期性极化晶体相对所述光纤放大器的另一端设置有准直透镜，所述准直透镜用于对所述多频相干激光进行准直。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述激光器与所述强度调制型电光调制器之间、所述强度调制型电光调制器与所述保偏光纤分束器之间、所述保偏光纤分束器与所述光纤放大器之间以及所述保偏光纤分束器与所述预处理模块之间使用保偏光纤进行连接。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述信号发生器与所述强度调制型电光调制器之间、所述信号发生器与所述预处理模块之间、所述预处理模块与所述伺服模块之间以及所述伺服模块与所述强度调制型电光调制器之间使用同轴电缆进行连接。
9.一种产生多频相干激光的方法，包括：
利用激光器产生种子光，所述种子光为波长可调的线偏振光；
利用信号发生器产生相同相位和相同频率的调制信号和解调信号，所述调制信号和解调信号的信号频率可调；
利用伺服模块产生控制信号，所述控制信号的幅值可调；
利用强度调制型电光调制器接收所述调制信号和所述控制信号，并对所述种子光进行调制，生成第一调制光信号，所述第一调制光信号包括调制边带光信号；
利用保偏光纤分束器按照预设功率比将所述第一调制光信号分为第二调制光信号和反馈光信号，所述第二调制光信号包括调制边带光信号；
利用预处理模块接收所述解调信号和所述反馈光信号，通过混频和调相生成误差信号，以便所述伺服模块接收所述误差信号，并基于所述误差信号产生所述控制信号；
利用光纤放大器将所述第二调制光信号的功率放大；
利用周期性极化晶体将功率放大的第二调制光信号进行倍频处理，得到多频相干激光，所述多频相干激光中相邻两激光间的频率差为所述射频信号频率的2倍。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述伺服模块接收所述误差信号，并基于所述误差信号产生所述控制信号包括：
所述伺服模块基于所述预处理模块生成的误差信号，通过PID算法产生所述控制信号，所述控制信号的电压为使所述马赫-曾德干涉仪结构工作在最小工作点的偏置半波电压。
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