CN117723038A - 适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。加入凸透镜的临界稳定的光学谐振腔，能够在很小的光腔尺寸下得到大尺寸的光斑，激光可以完全覆盖到原子团上。通时利用普克尔盒的频率补偿，能够补偿由于原子下落带来的多普勒频移。

Description

适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置

技术领域

本发明主要涉及到光学谐振腔技术领域，尤其是一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置。

背景技术

光脉冲原子干涉测量是一种利用原子叠加态作为灵敏探针的技术。激光脉冲充当原子束分离器，将原子转移到叠加态，让它们继续演化。进一步的脉冲将叠加态重新组合。对原子团进行分析处理，可以测量重力、加速度和重力梯度等信息。

通过增加原子干涉仪的时空面积可以提高原子干涉仪的测量灵敏度。增加原子干涉仪的时空面积，则可以通过更长的干涉测量时间或增加传递到原子的动量来实现。同时激光与原子团相互作用时，一般的可用激光使得光子波前畸变在其均值附近传播局部波矢量，降低干扰对比度，从而降低灵敏度和精度。

光学谐振自身的几何参数被固定，就可以决定激光束的横向分布特性、光斑尺寸、谐振频率、光束发散角等。同时基于自身特性可具备频率滤波和控制光束空间特性、提供光学正反馈等优点。

然而在冷原子干涉重力仪中插入光学谐振腔是一件复杂的事情，原因如下：

首先，对于光学腔来说，大的光斑半径对应大尺度的光学谐振腔，如何提供一个大光斑使得其可以完全覆盖原子团是一件困难的事情；

其次光学谐振腔的参数一旦设定，它的自由光谱区范围就被确定，标准腔体无法动态的调整谐振模式之间的距离。因此，对于多光束干涉的过程，多个频率不能同时与空腔共振，同时原子下落时具有多普勒频移，这是光学谐振腔无法补偿的。

基于上述限制，设计一种可以满足冷原子干涉条件的光学谐振腔成为了难点。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置。本发明的目的旨在传统冷原子干涉过程的基础上，利用光学谐振腔自身提供正反馈、压窄线宽、频率滤波等优势，对冷原子干涉重力仪灵敏度水平进行提升。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。

另一方面，对于上述适用于原子干涉测量的光学谐振腔，提供一种腔长锁定装置，包括稳定激光源、电光调制器、偏振分束镜、1/4λ波片、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、频移器、混频器、低通滤波器、伺服控制器、伺服机构，所述伺服机构连接在所述光学谐振腔的第二平面镜上，能够在伺服控制器的控制下驱动所述第二平面镜，实现所述光学谐振腔的第一平面镜和第二平面镜之间腔长的调整；

稳定激光源出射的激光入射至电光调制器，所述电光调制器连接信号发生器，在信号发生器的控制下，电光调制器对入射至电光调制器的激光进行相位调制，相位调制后的激光经偏振分束镜、1/4λ波片进入光学谐振腔，所述从光学谐振腔反射出来的激光经1/4λ波片、偏振分束镜入射至光电探测器，通过光电探测器转换为电信号，信号发生器产生的本振信号经过频移器频移后与光电探测器输出的电信号通过混频器进行混频，混频器输出的信号进入低通滤波器滤除和频信号后，得到的差频信号就是误差信号，所述差频信号通过伺服控制器反馈到伺服机构，伺服机构驱动所述第二平面镜，改变第一平面镜和第二平面镜之间腔长，并实现所述进行光学谐振腔的腔长的锁定和模式匹配。

进一步地，所述腔长锁定装置还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

另一方面，本发明提供一种原子干涉重力仪，包括上述适用于原子干涉测量的光学谐振腔。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的加入凸透镜的临界稳定的光学谐振腔，能够在很短的腔长条件下，增大光斑的尺寸，并获得10倍以上的光学增益，即可以在很小的光腔尺寸下得到大尺寸的光斑，激光可以完全覆盖到原子团上。

针对原子团自由落体的产生的多普勒频移，提出基于普克尔盒的频率补偿方案，能够补偿由于原子下落带来的多普勒频移。

光学谐振腔基于自身功率增强、清洁波前、压窄线宽等优势，可以有效提升冷原子干涉重力仪的灵敏度，为未来进行高精度重力测量提供方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1是一实施例中适用于原子干涉测量的光学谐振腔的结构示意图；

图2是一实施例中腔长锁定装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1是一实施例中适用于原子干涉测量的光学谐振腔的结构示意图，包括依次设置的第一平面镜1、普克尔盒2、第一凸透镜3和第二平面镜4，所述第一平面镜1和第二平面镜4均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜1，经第一平面镜1输入至普克尔盒2，经过普克尔盒2实现相位改变，通过第一凸透镜3后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜4反射后再次作用原子团。

光学谐振腔的参数是由包括第一平面镜1、第一凸透镜3和第二平面镜4在内的各个镜片的曲率、镜片之间的距离来决定的，得到一个大的光斑需要在腔内满足稳定性判据的条件下实行，利用确定性的参数可以得到所需要的光斑尺寸。

一般地，光学谐振腔的传输矩阵T由公式(1)定义：

其中A、B、C、D表示光学谐振腔的传输矩阵T中的四个元素，用ABCD传输矩阵表征光学谐振腔的传输矩阵T。

光学谐振腔的稳定性判据具体是由公式(2)得出

如图1所示适用于原子干涉测量的光学谐振腔的ABCD传输矩阵是由公式(3)表征，其中M₁,S₁,f₁,S₂,M₂分别表示第一平面镜1、第一平面镜1与第一凸透镜3的距离、第一凸透镜3、第一凸透镜3与第二平面镜4的距离以及第二平面镜4的光束变化矩阵，利用光学谐振腔的稳定性判据，在腔稳定和光斑半径尽可能大的前提下，利用matlab仿真得到满足干涉条件光斑尺寸的稳定谐振腔并记录参数。

光学谐振腔的自由光谱范围是与第一平面镜1和第二平面镜4之间的镜片距离和决定的，由公式(4)表征，其中，Δv_FSR为自由光谱范围，单位为1/s；c为光速；n为腔内介质折射率；L为腔体长度；

对于原子干涉的过程，需要两束拉曼光作用到原子团中，即入射激光是两束拉曼光，两束拉曼光脉冲相隔6.834GHz,由于光学谐振腔具有频率滤波的特点，这就需要两束拉曼光能同时进入光学谐振腔中，所以自由光谱范围应设置为两束拉曼光频率的公因数，结合光学谐振腔的稳定性判据，应设置合适的光学谐振腔的腔长来满足同时谐振、大光斑的条件。

所述第一平面镜和第二平面镜之间的镜片距离为光学谐振腔的腔体长度L，一实施例提出光学谐振腔的腔体长度L的确定方法，包括：

所述光学谐振腔的入射激光是两束脉冲拉曼光，要求两束脉冲拉曼光同时进入光学谐振腔中，光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR应设置为两束脉冲拉曼光频率的公因数；

根据光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR与光学谐振腔的腔体长度L的关系确定光学谐振腔的腔体长度L，其中Δv_FSR为设置的光学谐振腔的自由光谱范围，单位为1/s；c为光速；n为腔内介质折射率；L为腔体长度。

普克尔盒是一种由电光晶体组成的装置，可以通过施加可变电压来控制相位延迟，在光学谐振腔的腔长固定的限制下，改变激光的实际频率，由于自由落体的铷原子在下落阶段需要补偿频率，α_chirp＝25.1MHz/s,施加对应时间变化的电压可以实现频率的补偿，两束拉曼光分别对应晶体的正交轴，当改变电压时，可以补偿原子自由落体多普勒频移。

由于光学谐振腔的腔长是直接影响能够进入到腔中激光频率的参数，所以需要对光学谐振腔的腔长进行固定。

本发明一实施例中提出采用Pound-Drever-Hall(PDH)锁频方式实现对光学腔长的锁定。另外，为了便于实现光学谐振腔的腔长的调整，所述第一平面镜1或第二平面镜4上设置有伺服机构5，优选地，所述伺服机构5为压电陶瓷。

一实施例中提出所述光学谐振腔的腔长的锁定方法，包括：

搭建腔长锁定装置。如图2所示，一实施例提出的腔长锁定装置包括稳定激光源6、电光调制器7、偏振分束镜8、1/4λ波片9、第二凸透镜10、第三凸透镜11，光学谐振腔12、光电探测器15、信号发生器13、频移器14、混频器16、低通滤波器17、伺服控制器18、伺服机构5，所述伺服机构5连接在所述光学谐振腔12的第二平面镜4上，能够在伺服控制器18的控制下驱动所述第二平面镜4，实现所述光学谐振腔12的第一平面镜1和第二平面镜4之间腔长的调整；

稳定激光源1出射的激光入射至电光调制器7，所述电光调制,7连接信号发生器13，在信号发生器13的控制下，电光调制器7对入射至电光调制器7的激光进行相位调制，相位调制后的激光经偏振分束镜8、1/4λ波片9，所述第二凸透镜10和第三凸透镜11相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔12前方的光路上，激光经1/4λ波片9后通过第二凸透镜10和第三凸透镜11进行光学谐振腔的模式匹配，得到与光学谐振腔12一致的模式。

凸透镜组输出的激光进入光学谐振腔12，所述从光学谐振腔12反射出来的激光经1/4λ波片9、偏振分束镜入8射至光电探测器15，通过光电探测器15转换为电信号，信号发生器13产生的本振信号经过频移器14频移后与光电探测器15输出的电信号通过混频器16进行混频，混频器16输出的信号进入低通滤波器17滤除和频信号后，得到的差频信号就是误差信号，所述差频信号通过伺服控制器18反馈到伺服机构5，伺服机构5驱动所述第二平面镜4，改变第一平面镜1和第二平面镜4之间腔长，并实现所述进行光学谐振腔12的腔长的锁定和模式匹配。

当光学谐振腔的腔长的锁定和模式匹配过程进行完后，就可以在光学谐振腔中完成原子干涉的相关过程。

另一方面，一实施例提供一种原子干涉重力仪，包括上述任一实施例提供的适用于原子干涉测量的光学谐振腔。

本发明未尽事宜为公知技术。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.适用于原子干涉测量的边界稳定的光学谐振腔，其特征在于，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。

2.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于，所述光学谐振腔的腔长的锁定方法，包括：

搭建腔长锁定装置，包括稳定激光源、电光调制器、偏振分束镜、1/4λ波片、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、频移器、混频器、低通滤波器、伺服控制器、伺服机构，所述伺服机构连接在所述光学谐振腔的第二平面镜上，能够在伺服控制器的控制下驱动所述第二平面镜，实现所述光学谐振腔的第一平面镜和第二平面镜之间腔长的调整；

稳定激光源出射的激光入射至电光调制器，所述电光调制器连接信号发生器，在信号发生器的控制下，电光调制器对入射至电光调制器的激光进行相位调制，相位调制后的激光经偏振分束镜、1/4λ波片进入光学谐振腔，所述从光学谐振腔反射出来的激光经1/4λ波片、偏振分束镜入射至光电探测器，通过光电探测器转换为电信号，信号发生器产生的本振信号经过频移器频移后与光电探测器输出的电信号通过混频器进行混频，混频器输出的信号进入低通滤波器滤除和频信号后，得到的差频信号就是误差信号，所述差频信号通过伺服控制器反馈到伺服机构，伺服机构驱动所述第二平面镜，改变第一平面镜和第二平面镜之间腔长，并实现所述进行光学谐振腔的腔长的锁定和模式匹配。

3.根据权利要求2所述的光学谐振腔，其特征在于，所述腔长锁定装置还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

4.根据权利要求2所述的光学谐振腔，其特征在于，所述伺服机构为压电陶瓷。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的光学谐振腔，其特征在于，所述第一平面镜和第二平面镜之间的镜片距离为光学谐振腔的腔体长度L，光学谐振腔的腔体长度L的确定方法，包括：

所述光学谐振腔的入射激光是两束脉冲拉曼光，要求两束脉冲拉曼光同时进入光学谐振腔中，光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR应设置为两束脉冲拉曼光频率的公因数；

根据光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR与光学谐振腔的腔体长度L的关系确定光学谐振腔的腔体长度L，其中Δv_FSR为设置的光学谐振腔的自由光谱范围，单位为1/s；c为光速；n为腔内介质折射率；L为腔体长度。

6.一种如权利要求1所述的适用于原子干涉测量的光学谐振腔的腔长锁定装置，其特征在于：包括稳定激光源、电光调制器、偏振分束镜、1/4λ波片、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、频移器、混频器、低通滤波器、伺服控制器、伺服机构，所述伺服机构连接在所述光学谐振腔的第二平面镜上，能够在伺服控制器的控制下驱动所述第二平面镜，实现所述光学谐振腔的第一平面镜和第二平面镜之间腔长的调整；

稳定激光源出射的激光入射至电光调制器，所述电光调制器连接信号发生器，在信号发生器的控制下，电光调制器对入射至电光调制器的激光进行相位调制，相位调制后的激光经偏振分束镜、1/4λ波片进入光学谐振腔，所述从光学谐振腔反射出来的激光经1/4λ波片、偏振分束镜入射至光电探测器，通过光电探测器转换为电信号，信号发生器产生的本振信号经过频移器频移后与光电探测器输出的电信号通过混频器进行混频，混频器输出的信号进入低通滤波器滤除和频信号后，得到的差频信号就是误差信号，所述差频信号通过伺服控制器反馈到伺服机构，伺服机构驱动所述第二平面镜，改变第一平面镜和第二平面镜之间腔长，并实现所述进行光学谐振腔的腔长的锁定和模式匹配。

7.根据权利要求6所述的腔长锁定装置，其特征在于：还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

8.根据权利要求6所述的腔长锁定装置，其特征在于：所述伺服机构为压电陶瓷。

9.根据权利要求6或7或8所述的腔长锁定装置，其特征在于：所述第一平面镜和第二平面镜之间的镜片距离为光学谐振腔的腔体长度L，光学谐振腔的腔体长度L的确定方法，包括：

所述光学谐振腔的入射激光是两束脉冲拉曼光，要求两束脉冲拉曼光同时进入光学谐振腔中，光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR应设置为两束脉冲拉曼光频率的公因数；

根据光学谐振腔的自由光谱范围Δv_FSR与光学谐振腔的腔体长度L的关系确定光学谐振腔的腔体长度L，其中Δv_FSR为设置的光学谐振腔的自由光谱范围，单位为1/s；c为光速；n为腔内介质折射率；L为腔体长度。

10.一种原子干涉重力仪，其特征在于，包括如权利要求1或2或3或4所述的适用于原子干涉测量的光学谐振腔。