CN115173858B - 一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置。包括激光器、激光分束器、主物理系统、辅助物理系统、第一锁相放大器、第二锁相放大器、信号发生器、信号合成系统以及伺服控制器，本发明可将激光器的输出频率锁定到其中一套物理系统(称为主物理系统)的零光功率频移点频率，实现对激光功率频移的抑制，进而消除激光功率频移对激光频率准确性的影响。
Description
技术领域
本发明属于原子激光频率标准领域，具体涉及一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置。
背景技术
原子频标是一种利用原子跃迁频率实施电磁波稳频的时间产生和保持装置。随着频率标准技术的发展，小、微型原子频标以其输出频率准确度和稳定度较高的优点，正逐步取代传统的石英晶振，广泛应用于通信、导航和精密测量等领域。目前的小、微型原子频标均是以微波段的原子跃迁频率为参考来实现稳定频率输出的，而相对于原子微波频标，利用光学波段的原子跃迁频率为参考能够获得更高的共振品质因子(Q值)，进而会得到频率准确度和稳定度更好的原子频标。在现有的原子光频标中，铷双光子频标具有无一阶多普勒频移、高的光频跃迁的Q值、较小的物理结构尺寸以及可使用商用C波段激光器等优点，已经成为紧凑型光频标和芯片级光钟的研究热门。但铷双光子频标的频率准确度受探寻激光功率的影响，Bernard和M.Poulin等人的研究已经表明，激光功率引起的频移是铷双光子频标中频率偏差的主要来源。为此，Yudin在2020年提出了一种基于激光功率调制的激光功率频移抑制方案，其实施方法是利用声光调制器(AOM)进行激光功率调制，并将对应光功率下的原子鉴频信号进行组合运算合成新的鉴频信号用于激光频率锁定。在实际操作时，受限于AOM的响应特性，其调制速率会极大的影响最终激光器锁定环路的带宽，进而对激光器自身的短期频率稳定度要求大幅提高，所以目前该方案还未实现预期效果。
发明内容
本发明为解决铷双光子激光频率标准的输出频率准确性受激光功率影响的问题，提出一种铷双光子激光频标的激光功率频移抑制方法。本方法使用两套相同体系的物理系统输出的鉴频信号组合后产生新的鉴频信号对激光器进行锁定，以消除激光功率对激光频率准确性的影响。
本发明的上述目的通过以下技术手段年实现：
一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置，包括激光器，激光器输出的激光入射激光分束器，激光分束器输出的第一分束激光和第二分束激光分别入射主物理系统和辅助物理系统，激光分束器的第一分束激光功率信号和第二分束激光功率信号输入到合成系统，主物理系统输出第一原子荧光信号到第一锁相放大器，辅助物理系统输出第二原子荧光信号到第二锁相放大器，信号发生器输出的第一频率信号输入至激光器的频率调制端口，信号发生器输出的第二频率信号和第三频率信号分别输入至第一锁相放大器和第二锁相放大器的参考信号输入端，第一锁相放大器输出的第一鉴频信号和第二锁相放大器输出的第二鉴频信号输入到信号合成系统，信号合成系统输出合成信号到伺服控制器，伺服控制器输出控制信号到激光器。
如上所述第一频率信号、第二频率信号和第三频率信号频率相同。
如上所述合成信号基于以下公式计算：
其中，S51为合成信号，S41为第一鉴频信号，S42为第二鉴频信号，S14为第一分束激光功率信号，S15为第二分束激光功率信号，c1和b1分别为主物理系统的主光功率频移系数和主倍数特性参数，c2和b2分别为辅助物理系统的辅助光功率频移系数和辅助倍数特性参数，a为指数特性参数，dν＝ν02-ν01，ν01为主物理系统的零光频移点频率，ν02为辅助物理系统的零光频移点频率。
如上所述激光器锁定后，伺服系统由控制信号调节激光器的输出频率，将合成信号锁定在0V电压点，激光器输出频率为主物理系统的零光功率频移点频率ν01。
本发明具有的优点和积极效果是：
采用上述方法可将激光器的输出频率锁定到主物理系统的零光功率频移点频率，实现对激光功率频移的抑制，进而消除激光功率频移对激光频率准确性的影响。
本方法采用信号合成系统对两台锁相放大器输出的鉴频信号进行实时处理，不仅降低了对激光器频率稳定性的要求，而且尽可能降低对激光器锁定带宽的限制。
进一步，所选信号合成系统可根据激光功率信号对合成信号进实时行修正，保证组合信号的准确性。
附图说明
图1为本发明实施的实验装置图。
图2为本发明原理示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置。激光器1输出的激光入射激光分束器2，激光分束器2输出的第一分束激光12和第二分束激光13分别入射主物理系统3和辅助物理系统4，激光分束器2的第一分束激光功率信号14和第二分束激光功率信号15输入到合成系统8，主物理系统3输出第一原子荧光信号21到第一锁相放大器5，辅助物理系统4输出第二原子荧光信号22到第二锁相放大器6，信号发生器7的输出端分别与激光器1的调制输入端、锁相放大器5的参考输入端和锁相放大器6的参考输入端相连，第一锁相放大器5输出第一鉴频信号41和第二锁相放大器6输出第二鉴频信号42输入到信号合成系统8，信号合成系统8输出合成信号51到伺服控制器9，伺服控制器9输出控制信号61到激光器1。
本发明的工作原理如图2所示。进一步，以下描述中的辅助物理系统4的零光频移点频率大于主物理系统3的零光频移点频率。对于其他体系的物理系统以及两个物理系统的零光频移点频率偏差的其他情况，分析完全相同。
对于任意原子体系，使用激光进行原子跃迁频率的探寻会产生交流斯塔克效应，使得原子的能级在激光的作用下产生偏移，从而改变原子跃迁的共振频率。经过相关研究与实验证实，对于铷双光子跃迁，跃迁频率的偏移量Δp与探寻激光功率P的关系满足：Δp＝cP，其中c为该原子物理系统的光功率频移系数，锁定后激光器的频率为fL＝ν0+cP，其中ν0为该原子物理系统的零光频移点频率。
激光频率锁定使用的信号为锁相放大器输出的、对原子系统输出的荧光信号进行同步解调并滤除其中的高频分量后剩余的直流分量的鉴频信号。鉴频信号在锁定点(通常为鉴频信号的0V电压点)附近表征为一次函数特性，其斜率k与探寻激光功率P的关系满足：k＝bPα，其中b和α与原子物理系统特性相关的倍数特性参数和指数特性参数。同样，斜率k也可表征为k＝tanε，其中ε为鉴频信号与频率轴的夹角。
对于主物理系统，主光功率频移系数和主倍数特性参数分别记为c1和b1，零光频移点频率为ν01，同样地，对于辅助物理系统，辅助光功率频移系数和辅助倍数特性参数分别记为c2和b2，零光频移点频率为ν02。主物理系统和辅助物理系统体系相同，因此，主物理系统和辅助物理系统的指数特性参数α相同。
进一步，对于铷双光子跃迁的原子物理系统，α为2。
当进入主物理系统5的激光功率为P1时，主物理系统5的锁定点频率f1＝ν01+c1P1。O1f1为主物理系统的光功率频移量c1P1，O1A1为激光器1锁定频率为ν01时鉴频信号的幅度，S41为主物理系统对应的第一鉴频信号41。
同样地，当进入辅助物理系统6的激光功率为P2时，辅助物理系统锁定点频率f2＝ν02+c2P2。O2f2为辅助物理系统的光功率频移量c2P2，O2A2为激光器1锁定频率为ν02时鉴频信号的幅度，S42为辅助物理系统对应的第二鉴频信号42。
根据几何关系与激光功率频移的关系可得到以下公式：
其中，记ε1为主物理系统5的鉴频信号与频率轴的夹角，ε2为辅助物理系统6的鉴频信号与频率轴的夹角，
根据相似三角形的边长比例关系可知：
显然，O2O1为主物理系统的零光频移点频率和辅助物理系统的零光频移点频率的差值，且大小为dν＝ν02-ν01，O1f2为f2与ν01的频率偏差，O1A'2为激光器1使用辅助物理系统锁定频率为ν01时鉴频信号的幅度。所以有：
由于主物理系统5光功率频移系数c1和辅助物理系统6光功率频移c2均为负值，可改写tanε1和tanε2表达式为：
进一步，上述公式可改写为：
O1A1＝-c1b1P1 α+1
并设置校正系数
S51为信号合成系统8输出的合成信号51。S51按以下公式对第一鉴频信号S41、第二鉴频信号S42、第一分束激光功率信号S14和第二分束激光功率信号S15进行计算。
合成信号51具有与第一鉴频信号41和第二鉴频信号42相同的特性，无论进入主物理系统5和辅助物理系统6的激光功率P1和P2为何值，当合成信号51电压为0V时，对应的激光器1的输出的激光频率必定为主物理系统5的零光功率频移点频率ν01。
具体工作过程为：激光器1输出的激光11进入激光分束器2，激光分束器2输出第一分束激光12和第二分束激光13。第一分束激光12进入主物理系统3，产生第一原子荧光信号21，第一锁相放大器5对第一原子荧光信号21进行解调，产生第一鉴频信号41，类似地，第二分束激光13进入辅助物理系统4，产生第二原子荧光信号22，第二锁相放大器6对第二原子荧光信号22进行解调，产生第二鉴频信号42。第一分束激光功率信号14为第一分束激光12的功率指示信号，第二分束激光功率信号15为第二分束激光13的功率指示信号。
进一步，激光分束器2优选具备激光功率监测输出功能，指示分束器输出激光功率的强度信号。对于无激光功率监测输出功能分束器，可使用分光器件和光电探测器完成相同功能。
信号发生器7输出的第一频率信号31输入至激光器1的频率调制端口，对激光器1的输出频率进行调制，输出的第二频率信号32和第三频率信号33分别输入至第一锁相放大器5和第二锁相放大器6的参考信号输入端，用于对第一荧光信号21和第二荧光信号22的解调。
进一步，第一频率信号31、第二频率信号32和第三频率信号33具有完全相同的频率。
进一步，信号发生器7优选为具备多通道输出的信号发生器，对于单通道信号发生器可以使用额外的信号复用器完成相同功能。
第一分束激光功率信号14、第二分束激光功率信号15、第一鉴频信号41和第一鉴频信号42输入信号合成系统8，产生合成信号51。合成信号51进入伺服系统9，产生控制激光器的控制信号61。
进一步，信号合成系统8优选为数模混合电路。
当激光器1锁定后，伺服系统9由控制信号61调节激光器1的输出频率，将合成信号51锁定在0V电压点，对应地，激光器1输出频率为主物理系统5的零光功率频移点频率ν01。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置，包括激光器(1)，其特征在于，激光器(1)输出的激光入射激光分束器(2)，激光分束器(2)输出的第一分束激光(12)和第二分束激光(13)分别入射主物理系统(3)和辅助物理系统(4)，激光分束器(2)的第一分束激光功率信号(14)和第二分束激光功率信号(15)输入到合成系统(8)，主物理系统(3)输出第一原子荧光信号(21)到第一锁相放大器(5)，辅助物理系统(4)输出第二原子荧光信号(22)到第二锁相放大器(6)，信号发生器(7)输出的第一频率信号(31)输入至激光器(1)的频率调制端口，信号发生器(7)输出的第二频率信号(32)和第三频率信号(33)分别输入至第一锁相放大器(5)和第二锁相放大器(6)的参考信号输入端，第一锁相放大器(5)输出的第一鉴频信号(41)和第二锁相放大器(6)输出的第二鉴频信号(42)输入到信号合成系统(8)，信号合成系统(8)输出合成信号(51)到伺服控制器(9)，伺服控制器(9)输出控制信号(61)到激光器(1)。
2.根据权利要求1所述一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置，其特征在于，所述第一频率信号(31)、第二频率信号(32)和第三频率信号(33)频率相同。
3.根据权利要求2所述一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置，其特征在于，所述合成信号(51)基于以下公式计算：
其中，S51为合成信号，S41为第一鉴频信号，S42为第二鉴频信号，S14为第一分束激光功率信号，S15为第二分束激光功率信号，c1和b1分别为主物理系统的主光功率频移系数和主倍数特性参数，c2和b2分别为辅助物理系统的辅助光功率频移系数和辅助倍数特性参数，a为指数特性参数，dν＝ν02-ν01，ν01为主物理系统的零光频移点频率，ν02为辅助物理系统的零光频移点频率。
4.根据权利要求3所述一种铷双光子激光频率标准的激光功率频移抑制装置，其特征在于，所述激光器(1)锁定后，伺服控制器(9)由控制信号(61)调节激光器(1)的输出频率，将合成信号(51)锁定在0V电压点，激光器(1)输出频率为主物理系统(5)的零光功率频移点频率ν01。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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