CN117452084A - 基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学测量技术领域，具体公开一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，用于进行基于里德堡原子的微波电场强度测量，该装置包含有第一激光器、原子天线模块、激光系统、主偏振分光棱镜和射频电路模块；该基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置不仅具有低频率噪声，同时还具有较好扫描特性，能够实现精确的无跳模大范围频率线性扫描，提高微波电场测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置。
背景技术
传统偶极天线对微波进行校准测量，则需要将这个天线探头放在一个已知场强的电场里，但是要知道这个已知电场的大小又需要用到一个被校准过的探头，无法真正溯源。相比于传统偶极天线作为电场探头对微波进行校准测量，原子体系校准测量具有可复现、可溯源至基本物理常数、低不确定度等特点，并且高激发态的里德堡原子具有极强的极化率和跃迁偶极矩，对外界电场十分敏感。所以可利用里德堡原子与微波的相互作用来实现电场的计量。
利用原子量子相干效应可将微波电场强度的测量转化为光学频率的精确测量。实验上采用探测光和耦合光反向传播共同与铯原子相互作用的方法制备里德堡原子，并且利用微波与相邻里德堡态耦合产生原子缀饰态的分离，其原理称为Autler-Townes(AT)分裂。之后可利用电磁诱导透明效应(EIT)全光学探测得到AT分裂信号。具体方法是随着探测光或耦合光失谐的变化，探测光的透射率也会随之发生变化，进而观测EIT透射峰，透射峰的间距与微波拉比频率正相关，最后就可以得到微波电场强度。所以在实验过程中，精确得到透射峰间距即精确得到激光失谐量大小成为减小系统误差的关键因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置。用于进行基于里德堡原子的微波电场强度测量。该装置不仅具有低频率噪声，同时还具有较好扫描特性，能够实现精确的无跳模大范围频率线性扫描，提高微波电场测量的精度。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
本公开实施例提供一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，包括第一激光器、原子天线模块、激光系统、主偏振分光棱镜和射频电路模块。
所述第一激光器用于提供探测光。
所述原子天线模块用于实现微波探测。
所述激光系统用于实现低频率噪声无跳模大范围频率线性扫描。
所述主偏振分光棱镜用于将所述探测光进行分光，以使至少部分所述探测光输送至所述原子天线模块，且至少部分所述探测光输送至所激光系统。
其中，所述原子天线模块包含有天线、碱金属原子气室、二向色镜、第一光电探测器和第二激光器。
其中，所述激光系统包含有副偏振分光棱镜、光纤相位调制器、超稳光学腔、第二光电探测器和第三光电探测器。
其中，所述射频电路模块用于产生光纤相位调制器的驱动信号和调制半导体激光器电流的控制信号。
其中，光纤相位调制器、第三光电探测器和半导体激光器均与射频电路模块连接。
其中，所述第二光电探测器用于探测耦合进超稳光学腔的透射信号，所述第三光电探测器用于探测耦合进超稳光学腔的反射信号。
本公开至少一实施例提供的基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置中，所述射频电路模块包含有第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第一混频器、第二混频器、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器和比例积分微分控制器。
本公开至少一实施例提供的基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置中，所述第二激光器用于产生耦合光。
其中，所述耦合光的波长为509nm，所述探测光的波长为852nm。
其中，所述耦合光和探测光在所述碱金属原子气室内反向传播并且波矢方向重合，以使光束路径上的原子激发至里德堡态。
本公开至少一实施例提供的基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置中，所述二向色镜配置为反射所述耦合光，且所述二向色镜还被配置透射所述探测光。
本公开至少一实施例提供的基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置中，所述第一光电探测器和/或第二光电探测器和/或第三光电探测器为硅雪崩光电探测器。
本公开至少一实施例提供的基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置中，所述第一激光器为半导体激光器，所述天线为喇叭天线，所述第二激光器为倍频激光器。
实验过程中所需要的探测光大部分用于进行微波探测，小部分用于实现低噪声频率线性扫描。想要稳定激光频率并且抑制噪声就需要一个低噪声的频率标准作为参考，再通过伺服电路进行控制。超稳光学腔可以提供一个很好的频率标准进行参考，其主要运用多光束干涉基本原理，当光在腔镜上来回反射时，入射光场会与多个反射光场发生干涉，则能在腔内稳定传播的为干涉相长的光，最终筛选出所需要的频率。真空条件下光的频率与腔长关系如下：
其中，c为光速，L为腔长，第n条谱线ωn称为第n个纵模。
激光频率想要以纵模频率作为参考还需要对激光进行相位调制，假设进行相位调制的驱动信号为V1(t)＝V1sin(Ω1t)，则经过调制后的入射光场利用贝塞尔函数展开可表示为：
可知，入射光场的相位随时间作周期性变化。其中，E0为入射光振幅,J(β)为贝塞尔函数，相位调制深度β1与驱动信号电压V1有关。相位调制的光场经过超稳腔后的反射场由光电探测器检测，并根据光外差探测原理，这三种不同成分的相干光在探测器光敏面上混频可得到由载波与边带拍频所产生的输出信号，再用驱动信号进行解调可获得PDH误差信号，比例积分微分控制器(PID)可以对误差信号进行处理，获得对激光器进行电流调制的控制信号以实现稳频。稳频后激光器的频率噪声主要取决于纵模线宽，超稳腔的线宽很窄则充分减小了激光器的频率噪声。并且PDH产生的误差信号其值与激光频率和参考频率之间具有良好的线性关系，误差信号公式：
其中，Pc和Ps代表载波与边带的功率，FWHM为纵模线宽，ωc为激光中心频率，ωn是纵模频率同时也是参考频率。这一特点为后续线性扫频提供充分理论依据。
为了实现EIT效应，激光的频率必须要与原子能级共振，那么此时激光的中心频率必定会与超稳光学腔腔模存在频率差，所以仍然需要光纤相位调制器进行相位调制补偿频率差。可以用电子边带调制(ESB)的方法进行PDH锁频，具体方法是将对激光进行相位调制的驱动信号再进行相位调制V2(t)＝V2sin(Ω2t)，将驱动信号输入到相位调制器后入射激光的表达式：
Ein＝E0exp{i[ωct+β1sin(Ω1t+β2sinΩ2t)]}；
由公式可知，ωc与原子能级共振，同时ωc±Ω1其中一个边带与临近腔模频率相等，调制频率Ω2用于实现PDH稳频。
单实现激光频率的稳定还不能对微波进行测量，需要对激光频率进行线性扫描得到透射谱线从而得到激光失谐量的大小，扫描线性度与所得失谐量的精确度呈正相关。目前实验室较为常用的方法是利用多通声光调制器(AOM)系统来实现腔模和原子之间频率偏置的补偿，并获得一定程度的频率扫描能力，但是由于AOM的工作带宽较小并且衍射效率会随着穿过次数的增多而减小，因而无法实现较大的扫描范围和较好的线性度。
本发明基于光纤相位调制器产生电子边带进行PDH稳频这一方法实现线性扫频，可以有效解决AOM频率扫描范围小线性度较差这一问题。已知产生电子边带的驱动信号表达式：
V(t)＝V1sin(Ω1t+V2sinΩ2t)；
利用信号发生器对射频频率Ω1进行线性扫描Ω1(t')，使之成为一个随时间线性变化的函数：
V(t)＝V1sin[Ω1(t')·t+V2sinΩ2t]；
则调制光表达式：
Ein＝E0exp{i[ωct+β1sin[Ω1(t')·t+β2sinΩ2t]]}；
在激光中心频率不变的情况下，经过该信号产生的正负边带会随着时间线性变化。之后利用正或负边带所产生的误差信号与伺服电路相配合，将具有线性变化特点的边带锁定在腔模上，由于腔模频率固定且误差信号具有良好的线性特征，则PID产生的控制信号可以很好的调制激光器电流使激光器中心频率线性变化。
利用该方法进行频率扫描的线性动态范围主要受限于光学超稳腔的自由光谱程：
1.当边带调制频率Ω1＝Δω，且负一阶边带与第n个腔模共振时，激光中心频率ωc会与第(n+1)个腔模共振。
2.当边带调制频率Ω1＝Δω/2，且负一阶边带与第n个腔模共振时，正一阶边带会与第(n+1)个腔模共振。
当多个模式同时与腔模共振时会扰乱误差信号，正负边带同时与腔模共振时，所产生的两个误差信号会形成竞争，导致伺服电路无法识别。所以利用此方法可进行连续扫描的线性动态范围小于Δω/2。
本发明的有益效果为：不仅具有低频率噪声，同时还具有较好扫描特性，能够实现精确的无跳模大范围频率线性扫描，提高微波电场测量的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置的框架图。
图2为射频电路模块的框架示意图。
图中：
10、第一激光器；
20、原子天线模块；21、天线；22、碱金属原子气室；23、二向色镜；25、第一光电探测器；26、第二激光器；
30、激光系统； 31、副偏振分光棱镜； 32、光纤相位调制器；33、超稳光学腔； 34、第二光电探测器； 35、第三光电探测器；
40、主偏振分光棱镜； 41、平面反射镜；
50、射频电路模块；51、第一信号发生器；52、第二信号发生器；53、第三信号发生器；54、第一混频器；55、第二混频器；56、高通滤波器；57、功率放大器；58、低通滤波器；59、比例积分微分控制器。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
如图1和2所示，本公开实施例提供一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，包括第一激光器10、原子天线模块20、激光系统30、主偏振分光棱镜40和射频电路模块50。
具体地，第一激光器10用于提供探测光。原子天线模块20用于实现微波探测。激光系统30用于实现低频率噪声无跳模大范围频率线性扫描。
具体地，主偏振分光棱镜40用于将探测光进行分光，使得大部分部分探测光通过平面反射镜41输送至原子天线模块20，小部分探测光输送至所激光系统30。
具体地，第二光电探测器34用于探测耦合进超稳光学腔33的透射信号，第三光电探测器35用于探测耦合进超稳光学腔33的反射信号。
进一步的，原子天线模块20包含有天线21、碱金属原子气室22、二向色镜23、第一光电探测器25和第二激光器26。
进一步的，激光系统30包含有副偏振分光棱镜31、光纤相位调制器32、超稳光学腔33、第二光电探测器34和第三光电探测器35。
进一步的，射频电路模块50包含有第一信号发生器51、第二信号发生器52、第三信号发生器53、第一混频器54、第二混频器55、高通滤波器56、功率放大器57、低通滤波器58和比例积分微分控制器59。
具体地，射频电路模块50用于产生光纤相位调制器32的驱动信号和调制半导体激光器电流的控制信号。光纤相位调制器32、第三光电探测器35和半导体激光器均与射频电路模块50连接。
在本实施例中，第二激光器26用于产生耦合光。耦合光的波长为509nm，探测光的波长为852nm。
具体地，耦合光和探测光在碱金属原子气室22内反向传播并且波矢方向重合，以使光束路径上的原子激发至里德堡态。
在本实施例中，二向色镜23配置为反射耦合光，且二向色镜23还被配置透射探测光。
在本实施例中，第一光电探测器25、第二光电探测器34和第三光电探测器35均为硅雪崩光电探测器。硅雪崩光电探测器是一种高灵敏度和低噪声的探测器，非常适用于探测弱光信号。
在本实施例中，第一激光器10采用半导体激光器，天线采用喇叭天线，第二激光器26为倍频激光器。
在本实施例中，碱金属原子气室22采用铯原子气室。
半导体激光器输出852nm波长的激光为探测光，倍频激光器输出509nm波长的激光为耦合光，两束激光在铯原子气室内反向传播并且波矢方向重合，将光束路径上的原子激发至里德堡态。
二向色镜23起到反射509nm波段耦合光和透射852nm探测光的作用，透射的852nm探测光由第一光电探测器25接收，喇叭天线发射微波与相邻里德堡态耦合产生原子缀饰态的分离，之后可利用电磁诱导透明效应(EIT)全光学探测得到AT分裂信号。
半导体激光器发射的激光大部分功率用在微波探测部分，小部分功率用于进行线性扫频，其中利用主偏振分光棱镜进行分光，小部分功率的852nm激光从主分光棱镜处透射并耦合进光纤相位调制器中形成相位调制，将调制后的光再耦合进超稳光学腔33中，第二光电探测器34和第三光电探测器35分别探测耦合进超稳光学腔33的透射信号和反射信号。利用透射信号观察超稳光学腔33的频谱，利用反射信号实现激光的稳频以及线性扫频功能。
想要实现激光的线性扫频的充要条件是产生一个理想的调制信号：
V(t)＝V1sin[Ω1(t')·t+V2sinΩ2t]；
已知相位调制后的调制光表达式：
Ein＝E0exp{i[ωct+β1sin[Ω1(t')·t+β2sinΩ2t]]}；
其一，调制深度β1和β2这两个参数与调制信号的电压幅值V1和V2相关，并且调制深度会直接影响激光稳频的效果，适当调节调制信号的电压幅值可以优化激光的稳频效果。具体激光系统稳频效果的评判方法有两种：一、使用基本相同的两套相互独立的稳频激光系统进行拍频，用频谱仪分析拍频信号的宽度来获得两套激光系统的线宽。二、利用两套稳频激光系统拍频信号的阿伦方差测量结果来评判超稳激光系统的长时间稳定性。
其二，调制信号中Ω1(t')的线性度会直接影响激光的线性度，调制信号Ω1(t')由信号源产生。频率扫描线性度好坏的评判具体可用频率计数器采集，之后对采集的频率数据点进行线性拟合即可确定，最后检验由信号源产生的频率扫描其线性度完全达到后续实验要求。
如图2所示，射频电路模块主要用于产生用于光纤相位调制器的驱动信号以及产生用于调制半导体激光器电流的控制信号，射频电路模块50包含有第一信号发生器51、第二信号发生器52、第三信号发生器53、第一混频器54、第二混频器55、高通滤波器56、功率放大器57、低通滤波器58和比例积分微分控制器59；射频线A、B、C分别连接光纤相位调制器32、第三光电探测器35和半导体激光器。
其中，由于调制信号中存在两个时间轴t和t'，目前所用信号发生器的一个输出端无法实现产生两个时间变量，所以另需要两个信号发生器辅助形成调制信号。第二信号发生器52和第三信号发生器53分别产生频率为f1和f2的正弦波，经过第一混频器54后可得到频率分别为(f1+f2)和(f1-f2)的两个拍频项，可利用高通滤波器56选取高频项(f1+f2)，可知(f1+f2)＝Ω1。若将第二信号发生器52所产生的正弦信号进行线性频率调制，则所得高阶项的正弦信号也会具有频率线性变化特点，并且可以保持相位的连续避免激光频率伺服环路失锁。第一信号发生器51产生频率为Ω2的正弦波，对第三信号发生器53所产生的频率为f2的正弦波进行外部相位调制，目的是调制光场形成电子边带用于PDH稳频。最后所形成的驱动信号可利用功率放大器57进行功率放大，最后射频线A接入光纤相位调制器32以驱动光纤相位调制器对光场进行有效调制。
另外，第三光电探测器35接收到的超稳腔反射信号通过射频线B，与第一信号发生器51产生的本振信号混频解调出误差信号，具体需要第二混频器55和低通滤波器58实现解调功能，比例积分微分控制器可以对解调出的误差信号进行处理，最后通过射频线C接入半导体激光器，形成整个具低频率噪声、精确的无跳模大范围频率线性扫描特点的伺服环路系统。
所实现线性扫频的具体物理过程如下：
负一阶边带中心频率ωc-Ω1与腔模共振，此时的载波频率ωc处于负失谐状态。
对驱动信号Ω1进行线性频率调制，增大Ω1，在短时间内，负一阶边带相对于腔模形成负失谐，比例积分微分控制器控制激光器电流对处于负失谐的负一阶边带进行补偿以再次达到与腔模共振。则此时激光的中心频率ωc线性增加，从负失谐状态增加至与能级共振状态再增加至正失谐状态。
后续减小Ω1，负一阶边带相对于腔模形成正失谐，再利用比例积分微分控制器控制激光频率，以实现激光的中心频率ωc线性减小。最终以实现激光在能级共振频率点附近的线性扫描。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。
Claims (6)
1.一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，包括：
第一激光器，用于提供探测光；
原子天线模块，用于实现微波探测；
激光系统，用于实现低频率噪声无跳模大范围频率线性扫描；
主偏振分光棱镜，用于将所述探测光进行分光，以使至少部分所述探测光输送至所述原子天线模块，且至少部分所述探测光输送至所激光系统；以及
射频电路模块；
其中，所述原子天线模块包含有天线、碱金属原子气室、二向色镜、第一光电探测器和第二激光器；
其中，所述激光系统包含有副偏振分光棱镜、光纤相位调制器、超稳光学腔、第二光电探测器和第三光电探测器；
其中，所述射频电路模块用于产生光纤相位调制器的驱动信号和调制半导体激光器电流的控制信号；
其中，光纤相位调制器、第三光电探测器和半导体激光器均与射频电路模块连接；
其中，所述第二光电探测器用于探测耦合进超稳光学腔的透射信号，所述第三光电探测器用于探测耦合进超稳光学腔的反射信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，所述射频电路模块包含有第一信号发生器、第二信号发生器、第三信号发生器、第一混频器、第二混频器、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器和比例积分微分控制器。
3.根据权利要求2所述的一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，所述第二激光器用于产生耦合光；
其中，所述耦合光的波长为509nm，所述探测光的波长为852nm；
其中，所述耦合光和探测光在所述碱金属原子气室内反向传播并且波矢方向重合，以使光束路径上的原子激发至里德堡态。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，所述二向色镜配置为反射所述耦合光，且所述二向色镜还被配置透射所述探测光。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，所述第一光电探测器和/或第二光电探测器和/或第三光电探测器为硅雪崩光电探测器。
6.根据权利要求5所述的一种基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置，其特征在于，所述第一激光器为半导体激光器，所述天线为喇叭天线，所述第二激光器为倍频激光器。
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| CN202311489705.XA CN117452084A (zh) | 2023-11-09 | 2023-11-09 | 基于光纤相位调制器和光学超稳腔线性扫频的装置 |
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