CN212991572U - 一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，包括激光器模块、冷却/探测光模块、拉曼/回泵光模块和微波切换模块；激光器模块输出激光至冷却/探测光模块；冷却/探测光模块包括第一偏振分光镜，进入冷却/探测光模块的激光经过第一偏振分光镜后一路输出冷却光或探测光，另一路输出至拉曼/回泵光模块；拉曼/回泵光模块包括第一声光调制器和光纤电光调制器，进入拉曼/回泵光模块的激光经过声光移频产生大失谐后耦合进入光纤电光调制器中；微波切换模块输出不同的微波信号至光纤电光调制器中使拉曼/回泵光模块输出拉曼光或回泵光。仅需要一个激光种子源就能产生原子干涉仪需要的所有频率激光，提高了光路系统的稳定性。

Description

一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统

技术领域

本实用新型涉及原子干涉精密测量领域，具体涉及一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。

背景技术

原子干涉仪作为迅速发展的一种新型传感器，以特有的技术和性能优势，如高灵敏度、高精度和低漂移等特点，广泛应用于原子重力仪、重力梯度仪和陀螺仪。高精度重力仪和重力梯度仪可用于研究地质构造，探测矿产资源分布；而高精度的陀螺仪和重力梯度仪组合可用于重力辅助惯性导航，能够实现长航时高精度自主导航，因此原子干涉仪在军民领域都有极其重要的应用。

原子干涉仪的理论基础是物质波干涉，通过激光实现原子的冷却与操控，因此激光光路系统的性能直接决定了原子干涉仪能否实现可靠的精密测量。原子干涉仪一个完整的干涉周期内在不同时序需要用到频率、功率不同的激光，例如冷却光、回泵光、拉曼光和探测光等。目前广泛应用于干涉仪的激光光路系统主要有空间光路系统和光纤光路系统，前者技术难度低，价格相对较低，但是通常需要用到多个激光种子源和锥形激光放大器，降低了光路系统稳定性；后者输出功率大，窄线宽，但是价格昂贵，需要对近红外通信波段的激光倍频，获得对应铷原子和钾原子跃迁激光输出，可用于操纵的原子种类较少。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，包括：

激光器模块1、冷却/探测光模块2、拉曼/回泵光模块3和微波切换模块4；

所述激光器模块1输出激光至所述冷却/探测光模块2；

所述冷却/探测光模块2包括第一偏振分光镜42，进入所述冷却/探测光模块2的激光经过所述第一偏振分光镜42后一路输出冷却光或探测光，另一路输出至所述拉曼/回泵光模块3；

所述拉曼/回泵光模块3包括第一声光调制器101和光纤电光调制器 111，进入所述拉曼/回泵光模块3的激光经过所述第一声光调制器101产生大失谐后耦合进入所述光纤电光调制器111中；

所述微波切换模块4输出不同的微波信号至所述光纤电光调制器111中使所述拉曼/回泵光模块3输出拉曼光或回泵光。

本实用新型的有益效果是：仅需要一个激光种子源就能产生原子干涉仪需要的所有频率激光，提高了光路系统的稳定性；并且应用广泛，可用于操纵多种碱金属原子。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述激光器模块1包括激光器11和第一隔离器31；

所述激光器11输出的激光经过所述第一隔离器31后输出，所述激光器 11输出的激光的波长与碱金属原子的D₂线跃迁对应。。

进一步，所述激光器11和所述第一隔离器31之间设置有第一波片21。

进一步，所述紧凑型激光系统还包括第二偏振分光镜41和稳频模块5；

所述激光器模块1输出激光至所述第二偏振分光镜41分光后，一路进入所述稳频模块5，另一路进入所述冷却/探测光模块2；

所述稳频模块5包括第二声光调制器102、第三偏振分光镜45、光电探测器50、碱金属吸收室60和第一反光镜81；

进入所述稳频模块5的激光经过第二声光调制器102后，经过第三偏振分光镜45后注入到所述碱金属吸收室60，从所述碱金属吸收室60输出的激光经过所述第一反光镜81反射后通过所述第三偏振分光镜45入射到所述光电探测器50，所述光电探测器50对收到的激光信号处理后反馈给所述激光器模块1用于稳频。

进一步，所述紧凑型激光系统还包括设置于所述冷却/探测光模块2之前的第一功率放大模块6；

所述第一功率放大模块6包括第一半导体激光放大器91和第二隔离器 32；

激光进入所述第一功率放大模块6进行功率放大后经过所述第二隔离器 32后输出至所述冷却/探测光模块2。

进一步，所述冷却/探测光模块2还包括第四偏振分光镜43；

进入所述冷却/探测光模块2的激光经过所述第一偏振分光镜42分光后，一路输出所述冷却光和探测光中的一种，另一路进入所述第四偏振分光镜43；

所述激光经过第四偏振分光镜43分光后，一路输出所述冷却光和探测光中的另一种，另一路输出至所述拉曼/回泵光模块3。

进一步，所述冷却/探测光模块2还包括第二反光镜82、第五波片25 和第六波片26；

进入所述冷却/探测光模块2的激光经过所述第二反光镜82后反射后进入所述第一偏振分光镜42；

所述第二反光镜82和所述第一偏振分光镜42之间还设置有所述第五波片25，所述第一偏振分光镜42和所述第四偏振分光镜43之间设置有所述第六波片26。

进一步，所述紧凑型激光系统还包括设置于所述拉曼/回泵光模块3之后的第二功率放大模块7；

所述第二功率放大模块7包括第二半导体激光放大器92和第三隔离器 33；

所述拉曼/回泵光模块3输出的激光进入所述第二功率放大模块7后经过所述第二半导体激光放大器92放大后，经过所述第三隔离器33后输出拉曼光或回泵光。

进一步，所述第二半导体激光放大器92之前还设置有第七波片27，所述第三隔离器33之后还设置有第八波片28和第五偏振分光镜44；

经过所述第八波片28后通过所述第五偏振分光镜44分别输出拉曼光和回泵光。

进一步，所述微波切换模块4包括：控制开关304、微波放大器305、信号合成器308、TTL信号发生器307；

所述信号合成器308将第一微波信号301和射频信号302进行信号合成后生成合成信号输出至所述控制开关304；第二微波信号303也输出至所述控制开关304；

所述TTL信号发生器307产生TTL信号使所述控制开关304分时输出所述合成信号或所述第二微波信号303；

所述控制开关304输出的信号经过所述微波放大器305放大后输出。

采用上述进一步方案的有益效果是：冷却/探测光模块包括两个偏振分光镜，可以分光路分别输出探测光和冷却光；系统还包括稳频模块，稳频模块对收到的激光信号处理后反馈给激光器模块用于稳频，根据根据稳频模块所设置的稳频吸收峰不同，冷却/探测光模块可利用第二声光调制器102移频产生所需要频率的激光并控制开关；通过合理设置各个分光器、反射镜，使系统结构紧凑、可维护性强、生产成本低。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的结构框图；

图2为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的实施例的结构图；

图3为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的微波切换模块的实施例的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、激光器模块，2、冷却/探测光模块，3、拉曼/回泵光模块，4、微波切换模块，5、稳频模块，6、第一功率放大模块，7、第二功率放大模块， 11、激光器，21、第一波片，22、第二波片，23、第三波片，24、第四波片， 25、第五波片，26、第六波片，27、第七波片，28、第八波片，70、第九波片，31、第一隔离器，32、第二隔离器，33、第三隔离器，41、第二偏振分光镜，42、第一偏振分光镜，43、第四偏振分光镜，44、第五偏振分光镜， 45、第三偏振分光镜，50、光电探测器，60、碱金属吸收室，81、第一反射镜，82、第二反射镜，91、第一半导体激光放大器，92、第二半导体激光放大器，101、第一声光调制器，102、第二声光调制器，111、光纤电光调制器，301、第一微波信号，302、射频信号，303、第二微波信号，304、控制开关，305、微波放大器，306、第三微波信号，307、TTL信号发生器，01/02、冷却光/探测光，03、拉曼光/回泵光。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的结构框图，由图1可知，该紧凑型激光系统包括：

激光器模块1、冷却/探测光模块2、拉曼/回泵光模块3和微波切换模块4。

激光器模块1输出激光至冷却/探测光模块2。

冷却/探测光模块2包括第一偏振分光镜42，进入冷却/探测光模块2 的激光经过第一偏振分光镜42后一路输出冷却光或探测光，另一路输出至拉曼/回泵光模块3。

拉曼/回泵光模块3包括第一声光调制器101和光纤电光调制器111，进入拉曼/回泵光模块3的激光经过第一声光调制器101产生拉曼光所需要的大失谐后耦合进入光纤电光调制器(F-EOM，Optical Fiber electro-optic modulator)111中。

微波切换模块4输出不同的微波信号至光纤电光调制器111中使拉曼/ 回泵光模块3输出拉曼光或回泵光。

本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，仅需要一个激光种子源就能产生原子干涉仪需要的所有频率激光，提高了光路系统的稳定性；并且应用广泛，可用于操纵多种碱金属原子。

实施例1

本实用新型提供的实施例1为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的实施例，如图2所示为本实用新型提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的实施例的结构图，由图2可知，该紧凑型激光系统的实施例包括：

激光器模块1、冷却/探测光模块2、拉曼/回泵光模块3和微波切换模块4、稳频模块5、第一功率放大模块6和第二功率放大模块7。

优选的，激光器模块1输出激光至冷却/探测光模块2。

激光器模块1包括激光器11和第一隔离器31。

激光器11输出的激光经过第一隔离器31后输出，激光器11输出的激光的波长与碱金属原子的D₂线跃迁对应。

具体的，激光器11可以使用ECDL(外腔半导体激光)、DBR(distributed Braggreflector，分布式布拉格反射)或者DFB(Distributed Feed Back，分布反馈)半导体激光器，可以连续调谐激光器输出频率。

激光器11和第一隔离器31之间设置有第一波片21。

通过调整该第一波片21可以使第一隔离器31工作在最佳状态。

冷却/探测光模块2包括第一偏振分光镜42，进入冷却/探测光模块2 的激光经过第一偏振分光镜42后一路输出冷却光或探测光，另一路输出至拉曼/回泵光模块3。

优选的，冷却/探测光模块2还包括第四偏振分光镜43、第二反光镜82、第五波片25和第六波片26。

进入冷却/探测光模块2的激光经过第一偏振分光镜42分光后，一路输出冷却光和探测光中的一种，另一路进入第四偏振分光镜43。

激光经过第四偏振分光镜43分光后，一路输出冷却光和探测光中的另一种，另一路输出至拉曼/回泵光模块3。

进入冷却/探测光模块2的激光经过第二反光镜82后反射后进入第一偏振分光镜42。

第二反光镜82和第一偏振分光镜42之间还设置有第五波片25，第一偏振分光镜42和第四偏振分光镜43之间设置有第六波片26。

根据稳频模块5所设置的稳频吸收峰不同，冷却/探测光模块2可利用第二声光调制器102移频产生所需要频率的激光并控制光的开关。

拉曼/回泵光模块3包括第一声光调制器101和光纤电光调制器111，进入拉曼/回泵光模块3的激光经过第一声光调制器101产生拉曼光所需要的大失谐后耦合进入光纤电光调制器111中。

微波切换模块4输出不同的微波信号至光纤电光调制器111中使拉曼/ 回泵光模块3输出拉曼光或回泵光。

优选的，紧凑型激光系统还包括第二偏振分光镜41。

激光器模块1输出激光至第二偏振分光镜41分光后，一路进入稳频模块5，另一路进入冷却/探测光模块2。

稳频模块5包括第二声光调制器102、第三偏振分光镜45、光电探测器 50、碱金属吸收室60和第一反光镜81。

进入稳频模块5的激光经过第二声光调制器102后，经过第三偏振分光镜45后注入到碱金属吸收室60，从碱金属吸收室60输出的激光经过第一反光镜81反射后通过第三偏振分光镜45入射到光电探测器50，光电探测器 50对收到的激光信号处理后反馈给激光器模块1用于稳频。

激光器模块1与第二偏振分光镜41之间设置有第二波片22，第二声光调制器102和第三偏振分光镜45之间设置有第三波片23，碱金属吸收室60 和第一反光镜81之间设置有第九波片70。

具体的，第二偏振分光镜41分光后，功率较小的激光一部分进入稳频模块5用于饱和吸收稳频，功率较大的激光进入后续的光路。

第二声光调制器102移频后锁频的目的是使后续的第一声光调制器101 工作在最佳频率范围。

优选的，第一功率放大模块6设置于冷却/探测光模块2之前。

第一功率放大模块6包括第一半导体激光放大器91和第二隔离器32。

激光进入第一功率放大模块6进行功率放大后经过第二隔离器32后输出至冷却/探测光模块2。

第一功率放大器91之前还设置有第四波片24。

优选的，第二功率放大模块7设置于拉曼/回泵光模块3之后。

第二功率放大模块7包括第二半导体激光放大器92和第三隔离器33。

拉曼/回泵光模块3输出的激光进入第二功率放大模块7后经过第二半导体激光放大器92放大后，经过第三隔离器33后输出拉曼光或回泵光。

经过第二半导体激光放大器92输出所需要功率的拉曼光和回泵光。

该第二半导体激光放大器92之前还设置有第七波片27，第三隔离器33 之后还设置有第八波片28。经过第八波片28后通过第五偏振分光镜44分别输出拉曼光和回泵光。

优选的，微波切换模块4包括：控制开关304、微波放大器305、信号合成器308、TTL信号发生器307。

信号合成器308将第一微波信号301和射频信号302进行信号合成后生成合成信号输出至控制开关304；第二微波信号303也输出至控制开关304。

TTL信号发生器307产生TTL信号使控制开关304分时输出合成信号或第二微波信号303。

控制开关304输出的信号经过微波放大器305放大后输出。

微波放大器305输出的第三微波信号306作用在F-EOM，F-EOM的+1级边带和0级边带产生拉曼光，射频信号302用于补偿多普勒频移，第二微波信号303作用时，F-EOM的+1级边带产生回泵光。

本发明提供的一种设置，通过合理设置各个分光器、反射镜，使系统结构紧凑、可维护性强、生产成本低。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统的具体实施例，该具体实施例以基于⁸⁷Rb原子干涉仪为例。

激光器11为实施例1中激光器之一，输出波长780nm，调节电流或温度波长可以连续调谐，声光调制器102采用125MHz的声光调制器，双通模式工作(Double-pass)，正移频250MHz后注入稳频模块，稳频模块中碱金属吸收室中气体为⁸⁷Rb，激光频率锁定在F＝2→F’＝3跃迁频率。

半导体激光放大器91采用半导体锥形激光放大器，根据干涉仪应用需求可以选择1到4W放大器。

01和02输出的激光可以使用声光调制器负移频120MHz和125MHz产生需要频率的冷却光和探测光。

101使用两级220MHZ的声光调制器，正移频双通模式工作，微波信号 301频率为6.75GHz，射频信号302频率为80MHz，F-EOM的+1级边带和0 级边带产生拉曼光，拉曼/回泵光经半导体锥形放大器92输出，放大功率根据应用需求设置，输出03经过110MHz声光调制器，声光调制器正移频双通模式工作，既能起开关作用又能产生拉曼光失谐，因此拉曼光频率相对于 F＝2→F’＝0的频率红失谐Δ0＝854.2MHz；微波信号303频率为7.91GHz， F-EOM的+1级边带产生回泵光。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，其特征在于，所述紧凑型激光系统包括：

激光器模块(1)、冷却/探测光模块(2)、拉曼/回泵光模块(3)和微波切换模块(4)；

所述激光器模块(1)输出激光至所述冷却/探测光模块(2)；

所述冷却/探测光模块(2)包括第一偏振分光镜(42)，进入所述冷却/探测光模块(2)的激光经过所述第一偏振分光镜(42)后一路输出冷却光或探测光，另一路输出至所述拉曼/回泵光模块(3)；

所述拉曼/回泵光模块(3)包括第一声光调制器(101)和光纤电光调制器(111)，进入所述拉曼/回泵光模块(3)的激光经过所述第一声光调制器(101)产生大失谐后耦合进入所述光纤电光调制器(111)中；

所述微波切换模块(4)输出不同的微波信号至所述光纤电光调制器(111)中使所述拉曼/回泵光模块(3)输出拉曼光或回泵光。

2.根据权利要求1所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述激光器模块(1)包括激光器(11)和第一隔离器(31)；

所述激光器(11)输出的激光经过所述第一隔离器(31)后输出，所述激光器(11)输出的激光的波长与碱金属原子的D₂线跃迁对应。

3.根据权利要求2所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述激光器(11)和所述第一隔离器(31)之间设置有第一波片(21)。

4.根据权利要求1所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述紧凑型激光系统还包括第二偏振分光镜(41)和稳频模块(5)；

所述激光器模块(1)输出激光至所述第二偏振分光镜(41)分光后，一路进入所述稳频模块(5)，另一路进入所述冷却/探测光模块(2)；

所述稳频模块(5)包括第二声光调制器(102)、第三偏振分光镜(45)、光电探测器(50)、碱金属吸收室(60)和第一反光镜(81)；

进入所述稳频模块(5)的激光经过第二声光调制器(102)后，经过第三偏振分光镜(45)后注入到所述碱金属吸收室(60)，从所述碱金属吸收室(60)输出的激光经过所述第一反光镜(81)反射后通过所述第三偏振分光镜(45)入射到所述光电探测器(50)，所述光电探测器(50)对收到的激光信号处理后反馈给所述激光器模块(1)用于稳频。

5.根据权利要求4所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述紧凑型激光系统还包括设置于所述冷却/探测光模块(2)之前的第一功率放大模块(6)；

所述第一功率放大模块(6)包括第一半导体激光放大器(91)和第二隔离器(32)；

激光进入所述第一功率放大模块(6)进行功率放大后经过所述第二隔离器(32)后输出至所述冷却/探测光模块(2)。

6.根据权利要求1所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述冷却/探测光模块(2)还包括第四偏振分光镜(43)；

进入所述冷却/探测光模块(2)的激光经过所述第一偏振分光镜(42)分光后，一路输出所述冷却光和探测光中的一种，另一路进入所述第四偏振分光镜(43)；

所述激光经过第四偏振分光镜(43)分光后，一路输出所述冷却光和探测光中的另一种，另一路输出至所述拉曼/回泵光模块(3)。

7.根据权利要求6所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述冷却/探测光模块(2)还包括第二反光镜(82)、第五波片(25)和第六波片(26)；

进入所述冷却/探测光模块(2)的激光经过所述第二反光镜(82)后反射后进入所述第一偏振分光镜(42)；

所述第二反光镜(82)和所述第一偏振分光镜(42)之间还设置有所述第五波片(25)，所述第一偏振分光镜(42)和所述第四偏振分光镜(43)之间设置有所述第六波片(26)。

8.根据权利要求1所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述紧凑型激光系统还包括设置于所述拉曼/回泵光模块(3)之后的第二功率放大模块(7)；

所述第二功率放大模块(7)包括第二半导体激光放大器(92)和第三隔离器(33)；

所述拉曼/回泵光模块(3)输出的激光进入所述第二功率放大模块(7)后经过所述第二半导体激光放大器(92)放大后，经过所述第三隔离器(33)后输出拉曼光或回泵光。

9.根据权利要求8所述的紧凑型激光系统，其特征在于，

所述第二半导体激光放大器(92)之前还设置有第七波片(27)，所述第三隔离器(33)之后还设置有第八波片(28)和第五偏振分光镜(44)；

经过所述第八波片(28)后通过所述第五偏振分光镜(44)分别输出拉曼光和回泵光。

10.根据权利要求1所述的紧凑型激光系统，其特征在于，所述微波切换模块(4)包括：控制开关(304)、微波放大器(305)、信号合成器(308)、TTL信号发生器(307)；

所述信号合成器(308)将第一微波信号(301)和射频信号(302)进行信号合成后生成合成信号输出至所述控制开关(304)；第二微波信号(303)也输出至所述控制开关(304)；

所述TTL信号发生器(307)产生TTL信号使所述控制开关(304)分时输出所述合成信号或所述第二微波信号(303)；

所述控制开关(304)输出的信号经过所述微波放大器(305)放大后输出。

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