CN206116860U - 一种基于边带抑制的原子干涉仪光源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于边带抑制的原子干涉仪光源，包括激光器，干涉型激光相位调制器和控制模块；干涉型激光相位调制器的输入端连接至所述激光器的输出端，干涉型激光相位调制器的控制端连接至控制模块的输出端；在控制模块输出的射频信号的作用下，干涉型激光相位调制器对激光器输出的激光进行频率调制，抑制掉一个边带或同时抑制掉载波，实现双频输出或单边带输出。本实用新型中，干涉型激光相位调制器抑制了使用一般电光调制器会产生的多余边带，避免了它对整个实验过程的干扰，所以也可以达到使用光学锁相环时，原子干涉仪的高分辨率。
Description
技术领域
本实用新型属于激光频率控制领域，更具体地，涉及一种基于边带抑制的原子干涉仪光源。
背景技术
在过去二十多年里，原子干涉仪技术得到了迅速的发展和广泛的应用，因其潜在高灵敏度和量子属性，在精密测量领域已被用来进行重力、重力梯度、转动、精细结构常数、磁场梯度、万有引力常数等测量，同时也用来检验一些物理学的基本原理。它在基础科学研究、重力测量、资源勘探、重力辅助导航等领域具有重要的应用前景。
原子干涉仪一般包括冷却、上抛、干涉和探测这几个过程，而这一系列操控原子的行为，基本上都是通过激光来完成的，它要求我们在不同的时间段使用不同频率和功率的激光，并对切换时间有较高的要求。目前原子干涉仪光源主要是使用多台激光器和激光放大器，利用多个声光调制器来控制激光频率和光强变化，由两束相差为原子能级频率差的激光通过光学锁相环来构成低相噪拉曼光。这种方法技术成熟，但光路过于复杂，光学元器件较多，且声光移频器移频的频率范围受限，频率调节与温度变化都会导致整个光路效率发生变化，光功率不稳定等影响系统的长时间连续工作。而且光学锁相环实用起来比较复杂，容易自激失锁。这些因素都限制了这种光路不适宜用于可移动和小型化的原子干涉仪。
法国ONERA的O.Carraz等人提出了一种适用于可移动原子干涉仪的紧凑和稳定的光路，它利用了电光调制器调制3GHz来产生拉曼光，并将1560nm的激光倍频到780nm进行实验(参考文献：O.Carraz et al.Compact and robust laser system for onboard atominterferometry，Appl.Phys.B，97(2009)405–411)。但是，它用电光调制器进行调制时，会产生两个边带，它没有办法消除另外一个，因此在实验中会有一对失谐量更大的拉曼光也对原子作用，对我们的测量结果产生干扰，最终大大降低了测量分辨率。
实用新型内容
针对现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种基于边带抑制的原子干涉仪光源，其目的在于能有效抑制多余激光频率成分、可用于产生原子干涉仪所需的各种激光频率的光源，旨在解决现有技术中电光调制器进行调制时会产生两个边带，由于没有办法消除另外一个，会有一对失谐量更大的拉曼光也对原子作用，导致对测量结果产生干扰，降低了测量分辨率的问题。
本实用新型提供了一种基于边带抑制的原子干涉仪光源，包括激光器，干涉型激光相位调制器和控制模块；所述干涉型激光相位调制器的输入端连接至所述激光器的输出端，所述干涉型激光相位调制器的控制端连接至所述控制模块的输出端；在所述控制模块输出的射频信号的作用下，所述干涉型激光相位调制器对所述激光器输出的激光进行频率调制，抑制掉一个边带或同时抑制掉载波，实现双频输出或单边带输出。
更进一步地，所述干涉型激光相位调制器包括n组并联连接的调制单元，所述调制单元包括依次串联连接的移相器和电光调制器；移相器用于对输入的多路激光分别进行移相处理，电光调制器用于对移相后的激光进行调制后产生特定频率的边带，且发生干涉消除掉不需要的边带和载波；其中，n为大于等于2的正整数，且n为偶数。
更进一步地，控制模块包括：依次连接的射频信号源，射频开关，可调射频衰减器，射频信号放大器和功分器；射频信号源用于输出频率可控的射频信号；射频开关用于打开或关断所述射频信号；可调射频衰减器用于根据控制电压的不同来改变所述射频信号的衰减幅度；射频信号放大器用于对所述射频信号进行放大；功分器用于将一路射频信号分为两路频率相同的信号。
更进一步地，功分器为180°功分器，分成两路的射频信号相位会相差180°。
更进一步地，原子干涉仪光源还包括：依次连接在所述干涉型激光相位调制器的输出端的激光放大器和倍频晶体；激光放大器用于对干涉型激光相位调制器输出的激光的功率进行放大；倍频晶体用于对放大后的激光进行倍频处理。
通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于只需要一台激光器作为种子光来实现原子干涉仪整个过程所需要的光，干涉型激光相位调制器处在双频输出模式，然后直接调节激光器电流或者再加一台激光相位调制器处在单边带移频模式来实现移频。通过调节激光相位调制器的工作电压和射频信号频率和功率，来实现原子干涉仪各个实验过程所需激光的切换，实现了光路的复用。这种光路首先减少了激光器和激光放大器的数量，同时减少了声光调制器的使用，光路的复用使得整个系统得到了大大的简化。而且基本可以采用光纤连接，减小了空间光所占面积，使结构更加紧凑和稳定。利用干涉型激光相位调制器直接产生低相噪的拉曼光，避免了使用光学锁相环，简化了光路和电路，也避免了锁相环失锁带来的无法长期工作的问题。同时，因为干涉型激光相位调制器抑制了使用一般电光调制器会产生的多余边带，避免了它对整个实验过程的干扰，所以也可以达到使用光学锁相环时，原子干涉仪的高分辨率。
附图说明
图1所示为本实用新型提出的基于边带抑制技术的原子干涉仪光源示意图；
图2所示为本实用新型的干涉型激光相位调制器的组成示意图；
图3所示为本实用新型的干涉型激光相位调制器控制模块的组成示意图；
图4所示为本实用新型提出的原子干涉仪光源使用倍频技术的示意图。
其中，1为激光器，2为干涉型激光相位调制器，3为干涉型激光相位调制器控制模块，21为移相器，22为电光调制器，31为射频信号源，32为射频开关，33为可调射频衰减器，34为射频信号放大器，35为功分器，4为激光放大器，5为倍频晶体。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供了一种基于光学频率边带抑制的原子干涉仪光源，只使用一台激光器，采用具有边带抑制功能的干涉型激光相位调制器实现低相噪拉曼光或单边带移频，使整个结构简单，光路复用，集成度高，发热小，稳定性好，便于移动。
本实用新型提出的原子干涉仪光源包括一台激光器，干涉型激光相位调制器，干涉型激光相位调制器控制模块。激光器输出激光到干涉型激光相位调制器，经过特定频率调制后，抑制掉一个边带，实现双频输出。然后可以直接调制激光器电流或者再加一个干涉型激光相位调制器单边带输出，实现激光的整体移频。
干涉型激光相位调制器，包括两组或两组以上的偶数对移相器加电光调制器并联而成。输入激光分成多路，然后通过移相器移动不同的相位，经电光调制器产生特定频率的边带后，最终一起发生干涉消除掉不需要的边带和载波。
干涉型激光相位调制器控制模块，包括射频信号源，射频开关，电调衰减器，射频信号放大器，180度功分器。这些射频器件按这个顺序依次连接起来，最终将可控的两路相位相差180度的射频信号，输入到干涉型激光相位调制器。在整个实验过程中需要通过外加触发信号，实现几个射频信号频率和功率的切换，同时需要改变干涉型激光相位调制器中移相器的工作电压。
原子干涉仪光源可以在后面使用倍频技术，包括激光放大器和倍频晶体。例如，原本为1560nm的激光通过激光放大器放大，再通过倍频晶体可以倍频到780nm，达到与原子作用所需波长。
按照本实用新型的光源，只需要一台激光器作为种子光来实现原子干涉仪整个过程所需要的光。干涉型激光相位调制器处在双频输出模式，然后直接调节激光器电流或者再加一台激光相位调制器处在单边带移频模式来实现移频。通过调节激光相位调制器的工作电压和射频信号频率和功率，来实现原子干涉仪各个实验过程所需激光的切换，实现了光路的复用。这种光路首先减少了激光器和激光放大器的数量，同时减少了声光调制器的使用，光路的复用使得整个系统得到了大大的简化。而且基本可以采用光纤连接，减小了空间光所占面积，使结构更加紧凑和稳定。利用干涉型激光相位调制器直接产生低相噪的拉曼光，避免了使用光学锁相环，简化了光路和电路，也避免了锁相环失锁带来的无法长期工作的问题。同时，因为干涉型激光相位调制器抑制了使用一般电光调制器会产生的多余边带，避免了它对整个实验过程的干扰，所以也可以达到使用光学锁相环时，原子干涉仪的高分辨率。
下面结合附图对本实用新型的具体实施方法做进一步的描述。
图1显示了本实用新型的原子干涉仪光源示意图。如图1所示，激光器1输出频率记为ν0，然后输入到干涉型激光相位调制器2，经过频率为ν1的射频信号调制后，输出频率为ν0和ν0+ν1，抑制掉-1级边带ν0-ν1，利用干涉型激光相位调制器控制模块3调节射频信号的功率，实现在回泵光和拉曼光模式之间切换。然后可以通过直接调制激光器电流或者再加一台干涉型激光相位调制器处在单边带输出模式，来实现整体移频v2，即输出光频率变为ν0+ν2和ν0+ν1+v2，以满足原子干涉仪中囚禁光、拉曼光、探测光的要求。然后包含这两个频率成分的激光输送给原子干涉仪，用于冷却，干涉和探测等整个实验过程。对激光器要求输出功率最好大于10mW，线宽小于1MHz，对于操控铷原子的原子干涉仪，激光波长约为780nm或需要倍频的1560nm，空间光或光纤输出均可。
图2显示了本实用新型的干涉型激光相位调制器的组成示意图。它由两组或两组以上偶数对的移相器21和电光调制器22并联而成。一般的电光调制器经过调制后，会存在两个边带和一个载波。利用两组移相器加电光调制器的结构，可以通过改变移相器的电压来改变激光相位，使两束光经过电光调制器后发生干涉，实现对激光一个频率的抑制；使用四组时，可以实现对激光三个主要频率成分的任意操控，包括实现边带和载波两个主要频率成分的同时抑制，保证单边带输出。电光调制器可选用Thorlabs公司的LN65S，光纤输入，调制频率可到10GHz；移相器可选择常见的光纤型移相器FPS-002，调制相位能达到2π即可，工作电压基本保持在2倍半波电压里调节。
图3显示了本实用新型的干涉型激光相位调制器控制模块的组成示意图，它包括射频信号源31，射频开关32，可调射频衰减器33，射频信号放大器34，180度功分器35。射频信号源31控制射频信号输出的频率，经过射频开关32选择打开或者关断射频信号，然后输入到可调衰减器33，它可以根据控制电压的不同来改变衰减幅度。之后经过一个大功率射频放大器34放大，输出给180度功分器35，它将一路信号分为两路相差180度的同频率的信号，每路对应干涉型激光相位调制器中两组内的每个电光调制器。例如当一组里的移相器工作电压在半波电压，另一组工作电压在零点时，可以实现对载波的抑制。而调节输入到电光调制器的射频信号功率，可以在不改变载波的情况下，调节边带的强度。
图4显示了本实用新型的原子干涉仪光源使用倍频技术的光路图，它包括激光放大器4和倍频晶体5。由于现有技术成熟的电光调制器22工作在1560nm附近的波长，且经过调制后，光功率大大衰减。因此在激光输送给原子干涉仪之前，需要一个激光放大器4对光功率进行放大，然后通过倍频晶体5倍频到780nm，且功率在1W的水平。但是，频率为ν0+ν2和ν0+ν1+v2的激光经过倍频晶体时，由于它的二次谐波效应，会产生三个频率，倍频光2(ν0+ν2)、2(ν0+ν1+v2)以及两者的和频光2(ν0+ν2)+v1。由于我们需要的是频率为2(ν0+ν2)和2(ν0+ν2)+v1的激光，因此我们可以调节倍频前频率为ν0+ν2与ν0+ν1+v2的功率比(范围大概为4:1到100:1)，来抑制2(ν0+ν1+v2)频率。例如产生拉曼光时，微调这个比例，就可以基本抑制掉2(ν0+ν1+v2)的频率成分。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于边带抑制的原子干涉仪光源，其特征在于，包括激光器(1)，干涉型激光相位调制器(2)和控制模块(3)；所述干涉型激光相位调制器(2)的输入端连接至所述激光器(1)的输出端，所述干涉型激光相位调制器(2)的控制端连接至所述控制模块(3)的输出端；
在所述控制模块(3)输出的射频信号的作用下，所述干涉型激光相位调制器(2)对所述激光器(1)输出的激光进行频率调制，抑制掉一个边带或同时抑制掉载波，实现双频输出或单边带输出。
2.如权利要求1所述的原子干涉仪光源，其特征在于，所述干涉型激光相位调制器(2)包括n组并联连接的调制单元，所述调制单元包括依次串联连接的移相器(21)和电光调制器(22)；
所述移相器(21)用于对输入的多路激光分别进行移相处理，所述电光调制器(22)用于对移相后激光进行调制后产生特定频率的边带，且发生干涉消除掉不需要的边带和载波；
其中，n为大于等于2的正整数，且n为偶数。
3.如权利要求1所述的原子干涉仪光源，其特征在于，所述控制模块(3)包括：依次连接的射频信号源(31)，射频开关(32)，可调射频衰减器(33)，射频信号放大器(34)和功分器(35)；
所述射频信号源(31)用于输出频率可控的射频信号；所述射频开关(32)用于打开或关断所述射频信号；所述可调射频衰减器(33)用于根据控制电压的不同来改变所述射频信号的衰减幅度；所述射频信号放大器(34)用于对所述射频信号进行放大；所述功分器(35)用于将一路射频信号分为两路频率和功率相同的信号。
4.如权利要求3所述的原子干涉仪光源，其特征在于，所述功分器(35)为180°功分器，分成两路的射频信号相位会相差180°。
5.如权利要求1-4任一项所述的原子干涉仪光源，其特征在于，所述原子干涉仪光源还包括：依次连接在所述干涉型激光相位调制器(2)的输出端的激光放大器(4)和倍频晶体(5)；所述激光放大器(4)用于对所述干涉型激光相位调制器(2)输出的激光的功率进行放大；所述倍频晶体(5)用于对放大后的激光进行倍频处理。
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