KR101451784B1 - Dual-mode raman laser system and operational method - Google Patents

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심규민
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국방과학연구소
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Abstract

The present invention relates to a dual-mode Raman laser system and an operational method thereof. Suggested is a dual-mode Raman laser system which simultaneously realizes two methods which can generate a Raman laser. Based on it, Raman laser characteristic optimized with regard to an operational environment is produced by applying a method of selecting one of two Raman lasers generated according to the operational environment and laser conditions. Ultimately, the accurate performance of a system applied to a laser can be maintained regardless of operational environment characteristics.

Description

이중 모드 라만레이저 시스템 및 그 운용 방법{DUAL-MODE RAMAN LASER SYSTEM AND OPERATIONAL METHOD}DUAL-MODE RAMAN LASER SYSTEM AND OPERATIONAL METHOD BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 원자 간섭계 및 각종 물리, 광학기술 분야에서 필요한 라만 레이저시스템의 구현 및 이의 운용기법에 관한 것으로, 특히 이중 모드 라만레이저 시스템 및 그 운용 방법에 관한 것이다. In particular, the present invention relates to a dual mode Raman laser system and a method of operating the dual mode Raman laser system.

원자 간섭계는 원자의 파동성을 이용하여 다양한 물리량을 정밀하게 측정하는 것을 위한 기술이다. 최근 레이저 냉각 및 보즈-아인슈타인 응축과 같은 극저온 원자냉각 기술들의 급격한 발전에 따라 이들의 기술을 이용하는 원자 간섭계 관련 기술도 함께 발전되고 있으며, 실험실 수준에서 원자 간섭계를 이용한 다양한 물리량의 정밀 특정 연구가 활발히 수행되고 있다. An atomic interferometer is a technique for precisely measuring various physical quantities using atomic oscillation. Recently, with the rapid development of cryogenic atomic cooling technologies such as laser cooling and Bose-Einstein condensation, atomic interferometer related technologies using these technologies are being developed together with active research on precision of various physical quantities using an atomic interferometer at a laboratory level .

원자 간섭계는 간섭계 구현을 위해 원자를 분리, 반사 및 간섭시키는 기술에 따라 크게 역학적 격자 기반의 원자 간섭계, 자기장 기반의 원자 간섭계 및 레이저 기반의 원자 간섭계 등으로 분류할 수 있다. 현재 가장 높은 기술적 성숙도를 가지며 정밀 물리량 측정을 가능하게 하는 방법은 라만 레이저(Raman Lazer)를 이용하는 기술로서, 실제로 여러 유수의 세계적인 선진 연구기관에서 라만 레이저를 이용한 원자 간섭계 방법으로 현존하는 기존의 다른 관성 물리량 측정 기술을 뛰어 넘을 수 있음을 실험적으로 증명하고 있는 추세이다.An atomic interferometer can be roughly classified into a mechanical lattice-based atomic interferometer, a magnetic-field-based atomic interferometer, and a laser-based atomic interferometer depending on the technology of separating, reflecting and interfering atoms for interferometer implementation. At present, the most technologically advanced and precise physical measurement method is the Raman laser technology. In fact, many advanced research institutes in the world have developed the atomic interferometer method using Raman laser, It is a tendency to experimentally demonstrate that it can go beyond the physical measurement technology.

라만 레이저 방식을 이용한 원자 간섭계에서 반드시 고려되어야 할 부분 중 가장 중요한 하나를 꼽으면 라만 레이저를 구성하는 주 레이저 사이의 상대 위상을 정밀히 제어할 수 있는 방안을 마련하는 일을 들 수 있다. 원자를 분리, 반사 및 간섭 시 두 레이저 사이의 상대 위상 정보가 간섭계 신호에 전달되고 이는 간섭신호에서 측정하고자 하는 물리량과 함께 나타나게 된다. One of the most important factors to be considered in the atomic interferometer using the Raman laser method is to provide a precise control of the relative phase between the main lasers constituting the Raman laser. Relative phase information between the two lasers at the time of separating, reflecting, and interfering with an atom is transferred to the interferometer signal, which appears together with the physical quantity to be measured in the interfering signal.

일반적으로 시간에 따른 독립된 두 레이저 사이의 위상은 불규칙한 형태로 변하기 마련이므로 원자 간섭계를 통해 정밀한 물리량을 측정하기 위해서는 라만 레이저로 독립된 두 레이저를 함께 이용할 때 두 레이저 사이의 위상을 안정화하는 일이 필수적이다.Generally, the phase between two independent lasers changes with time. Therefore, it is essential to stabilize the phase between two lasers when using two separate lasers with a Raman laser to measure precise physical quantities through an atomic interferometer .

최근 원자 간섭계 실험에서 라만 레이저 구현을 위해 널리 사용되고 있는 방법은 독립된 두 레이저의 맥놀이 신호를 이용하여 두 레이저 사이의 위상변화를 검출하고 검출된 위상 변화의 정도에 비례하는 전기신호를 어느 하나의 레이저에 피드백하는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 실험실에서와 같이 안정된 환경에서는 우수한 위상 안정화 특성을 보이지만 진동, 충격 등의 가혹한 외부 물리량이 인가되는 환경에서는 위상 안정화를 위한 제어가 정상적으로 되지 못하거나 제어가 되더라도 안정된 특성을 갖지 못하는 취약점이 있다.Recently, a widely used method for the implementation of Raman laser in an atomic interferometer experiment is to detect the phase change between two lasers by using the beat signals of two independent lasers and to convert the electric signal proportional to the detected phase change into one of the lasers Feedback is the way. However, this method exhibits excellent phase stabilization characteristics in a stable environment as in a laboratory. However, when the external physical quantities such as vibration and impact are applied, the phase stabilization control may not be normally performed, or even if the control is performed, have.

반면에, 하나의 레이저를 변조시킴으로써 발생되는 측파대(Side-band)와 반송파(Carrier) 주파수대를 라만 레이저로 이용할 경우 두 레이저 주파수 성분이 하나의 레이저로부터 발생되었기 때문에 자연적으로 상대 위상이 동일한 특성을 가지게 되며, 손쉽게 안정된 라만레이저 구현이 가능하다. 이와 같은 방법은 전기적 제어를 통해 위상을 안정화하는 방법과 달리 레이저의 변조 특성을 이용하여 위상이 동일한 레이저를 발생시키는 원리를 이용하기 때문에 진동, 충격 등의 가혹한 외부 물리량이 인가되더라도 생성된 두 레이저 성분 간의 상대 위상이 변화되지 않는 장점이 있다. On the other hand, when the side-band and carrier frequency bands generated by modulating one laser are used as Raman lasers, since the two laser frequency components are generated from one laser, And it is possible to easily realize a stable Raman laser. In this method, unlike the method of stabilizing the phase through electrical control, the principle of generating the laser having the same phase by using the modulation characteristic of the laser is used. Therefore, even if a harsh external physical quantity such as vibration or impact is applied, There is an advantage that the relative phase is not changed.

그런데, 상기 방법은 라만 레이저를 생성하는 과정에서 발생된 불필요한 단측파대 혹은 고차 조화파(Higher-mode harmonics)들 역시 발생시키는 단점이 존재한다. 상기 발생된 불필요한 측파대 및 고차 조화파 성분들은 원자 간섭계의 시스템적 오차를 야기할 수 있는데 이는 안정된 환경 하에서 두 대의 독립적인 레이저를 전기적 제어를 통해 위상 안정화 하여 구현되는 라만 레이저에 비해 오히려 높은 원자 간섭계 출력 오차를 야기할 수 있는 잠재적 문제점을 내포하고 있다.However, the above-described method has disadvantages of generating unnecessary single-sideband or high-mode harmonics generated in the process of generating the Raman laser. The generated unnecessary sideband and high harmonic components may cause a systematic error in the atomic interferometer due to the fact that two independent lasers are stabilized by phase control in a stable environment, Which may lead to output errors.

또한, 두 대의 독립된 레이저를 전기적 제어를 통해 위상안정화 하는 방법과 달리 한 대의 레이저 변조를 통해 두 주파수 성분의 라만 레이저를 생성하는 방법은 각각의 주파수 성분에 해당하는 레이저에 독립적으로 광 세기, 주파수 및 편광 등의 레이저 특성을 변화시키가 어려운 단점이 있다. Also, unlike the method of phase stabilization of two independent lasers by electrical control, the method of generating Raman lasers of two frequency components through one laser modulation can be performed independently of the laser corresponding to each frequency component, There is a disadvantage that it is difficult to change laser characteristics such as polarization.

결국 상기와 같이, 원자 간섭계용 라만 레이저를 구현하는 방법은 크게 두 가지로 요약될 수 있지만, 운용 환경 및 사용 목적에 따라 각각의 방법은 장단점이 존재하며, 궁극적으로 운용 환경에 관계없이 높은 정밀도를 가지는 방법은 현재 없는 실정이다. As a result, the method of implementing the Raman laser for the atomic interferometer can be summarized in two ways. However, there are advantages and disadvantages according to the operating environment and the purpose of use, and ultimately, There is no current way to get there.

또한, 원자간섭계 기술과 별도로, 라만레이저 기술은 전자기 유도 투과 및 흡수, 라만 속도 선택, 조밀 파장 분할 다중화(DWDM), 분광학, 광전자 고정밀 발진기 등 각종 물리 및 광학분야에서 널리 이용되고 있는 기술로서, 해당 분야가 진동, 충격등의 가혹한 외부 물리량이 인가되는 환경하에 있다면 이 역시 상기에서 언급된 문제점이 동일하게 대두된다.Apart from the atomic interferometer technology, Raman laser technology is widely used in various physical and optical fields such as electromagnetic induction transmission and absorption, Raman velocity selection, DWDM, spectroscopy, and optoelectronic high precision oscillator. If the field is in an environment where severe external physical quantities such as vibration, shock, etc. are applied, the above-mentioned problem is equally expressed.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 라만 레이저시스템 및 그의 운용방법을 제공하는데 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a Raman laser system and a method of operating the same, which can solve the above-described problems.

본 발명의 다른 목적은 두 가지의 라만 레이저를 발생방법을 동시에 구현하여, 운용환경 및 레이저 상태에 따라 하나의 방법에 의해 발생된 라만 레이저를 선택할 수 있도록 한 이중모드 라만 레이저시스템 및 그의 운용방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a dual mode Raman laser system and a method of operating the dual mode Raman laser system in which two kinds of Raman laser generation methods are simultaneously implemented and a Raman laser generated by one method is selected according to the operating environment and laser condition .

본 발명의 또 다른 목적은 최소한의 구성품만으로 이중 모드 라만 레이저 동작이 가능한 라만 레이저시스템 및 그의 운용방법을 제공하는데 있다. It is still another object of the present invention to provide a Raman laser system capable of operating a dual mode Raman laser with minimal components and an operation method thereof.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 라만레이저 시스템의 운용 방법은, 주 레이저와 종 레이저간의 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통하여 라만 레이저를 생성하는 제1동작모드로 라만 레이저를 운용하는 단계; 기준 레이저에 의해 주파수 안정화된 주 레이저를 광 변조하여 라만 레이저를 생성하는 제2동작모드로 라만레이저를 운용하는 단계; 및 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 상기 두 동작모드중 하나를 선택하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of operating a dual mode Raman laser system, comprising: a first operation mode for generating a Raman laser through phase control based on an electrical control between a main laser and a longitudinal laser; Operating a laser; Operating a Raman laser in a second operation mode of generating a Raman laser by optically modulating a main laser frequency-stabilized by a reference laser; And selecting one of the two operation modes according to the operating environment and the state of the laser.

상기 제1동작모드에서는 주 레이저와 종 레이저가 모두 사용되고, 상기 제2모드에서는 주 레이저만 사용된다.In the first operation mode, both the main laser and the longitudinal laser are used, and in the second mode, only the main laser is used.

상기 두 동작모드중 하나는 선택하는 단계는 주 레이저와 종 레이저에 의해 생성된 맥놀이 신호와 안정된 고주파 신호간의 위상차이를 위상 검출기를 통해 검출하는 단계; 상기 검출된 위상차이에 비례하는 생성된 전기신호를 위상 제어기를 통해 종 레이저에 피드백하여 종 레이저를 주 레이저에 위상 안정화시키는 단계; 상기 위상 검출기의 출력 특성을 판단하는 단계; 및 상기 분석된 위상 검출기의 출력 특성을 바탕으로 라만 레이저의 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 라만 레이저 동작 모드를 결정하는 단계;를 포함한다.Wherein the step of selecting one of the two operation modes comprises the steps of detecting a phase difference between a beat signal generated by the main laser and the seed laser and a stable high frequency signal through a phase detector; Feeding back the generated electrical signal proportional to the detected phase difference to the slave laser through the phase controller to stabilize the slave laser to the main laser; Determining an output characteristic of the phase detector; And determining a Raman laser operating mode according to an operating environment of the Raman laser and a state of the laser based on the output characteristics of the analyzed phase detector.

상기 두 동작모드중 하나를 선택하는 단계는 제1동작모드로 라만 레이저를 운용하는 단계; 위상 검출기의 출력 특성을 판단하는 단계; 및 상기 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장하기 어려운 경우 제2동작모드로 자동 전환하는 단계;를 포함하며, 상기 제2모드 동작중에 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장하기 어려운 경우 다시 제1동작모드로 전환한다.Wherein selecting one of the two modes of operation comprises: operating a Raman laser in a first mode of operation; Determining an output characteristic of the phase detector; And automatically switching to a second mode of operation when the output characteristic of the phase detector is difficult to guarantee the performance of the Raman laser, wherein the output characteristic of the phase detector during the second mode of operation ensures the performance of the Raman laser If it is difficult, the operation mode is switched again to the first operation mode.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 이중 모드 라만레이저 시스템은, 주 레이저와 종 레이저간의 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통하여 라만 레이저를 생성하는 제1동작모드 운용부; 주 레이저를 광 변조하여 라만 레이저를 생성하는 제2동작모드 운용부; 및 상기 주 레이저와 종 레이저간의 위상 안정화에 이용되는 위상 검출기의 출력 특성을 판단하여 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 제1,제2동작모드 운용부를 선택적으로 운용하는 디지털 컨트롤러;로 구성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a dual mode Raman laser system including: a first operation mode unit for generating a Raman laser through phase control based on electrical control between a main laser and a longitudinal laser; A second operation mode operating section for generating a Raman laser by optically modulating the main laser; And a digital controller for determining the output characteristics of the phase detector used for phase stabilization between the main laser and the longitudinal laser, and selectively operating the first and second operation mode operation units according to the operation environment and the state of the laser.

상기 제1동작모드에서는 주 레이저와 종 레이저가 모두 사용되고, 상기 제2모드에서는 주 레이저만 사용되며, 상기 종 레이저는 주 레이저에 위상 안정화된다.In the first operation mode, both the main laser and the longitudinal laser are used. In the second mode, only the main laser is used, and the longitudinal laser is phase-stabilized to the main laser.

상기 디지털 컨트롤러는 주 레이저와 종 레이저에 의해 생성된 맥놀이 신호와 안정된 고주파 신호간의 위상차이를 위상 검출기에서 검출하여 상기 검출된 위상차이에 비례하는 전기신호를 위상 제어기를 통해 종 레이저에 피드백하여 종 레이저를 주 레이저에 위상 안정화시킬 때, 상기 위상 검출기의 출력 특성에 근거하여 동작 모드를 변경한다.The digital controller detects a phase difference between a beat signal generated by a main laser and a longitudinal laser and a stable high frequency signal in a phase detector and feeds an electric signal proportional to the detected phase difference to the longitudinal laser through a phase controller, To the main laser, the operation mode is changed based on the output characteristic of the phase detector.

상기 디지털 컨트롤러는 제1동작모드로 라만레이저를 운용할 때 위상 검출기의 출력 특성을 판단하여, 상기 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장하기 어려운 경우 제2동작모드로 자동 전환하며, 상기 제2동작모드 운용중에 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장할 수 있는지의 여부에 따라 제2동작모드를 유지할 것인지 아니면 제1동작모드로 전환할 것인지를 판단한다. The digital controller automatically determines the output characteristic of the phase detector when operating the Raman laser in the first operation mode and automatically switches to the second operation mode when the output characteristic of the phase detector is difficult to guarantee the performance of the Raman laser, It is determined whether to maintain the second operation mode or to switch to the first operation mode depending on whether the output characteristic of the phase detector can guarantee the performance of the Raman laser during the second operation mode operation.

본 발명은 라만 레이저를 발생시킬 수 있는 두 가지 방법을 동시에 구현할 수 있는 이중 모드 레이저 시스템을 제안하고, 이를 기반으로 운용환경 및 레이저 상태에 따라 발생된 두 가지 라만 레이저 중 하나를 선택하는 방법을 적용함으로써 운용환경에 대해 최적화된 라만 레이저 특성을 조성하고 이를 통해 궁극적으로 운용환경 특성에 관계없이 레이저가 적용되는 시스템의 정밀한 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.The present invention proposes a dual mode laser system capable of simultaneously implementing two methods capable of generating Raman lasers, and based on this, a method of selecting one of two Raman lasers generated according to the operating environment and the laser state is applied Thereby optimizing the Raman laser characteristic for the operating environment and ultimately maintaining the precise performance of the system to which the laser is applied regardless of the operating environment characteristics.

또한, 본 발명은 유사한 기능은 통합하고, 기능 다양화를 위한 최적화 설계를 통해 상대적으로 적은 수의 부품을 이용하여 많은 기능을 구현할 수 있는 레이저시스템 구현이 가능한 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect of realizing a laser system that can integrate similar functions and implement many functions using a relatively small number of components through optimization design for diversification of functions.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자 간섭계용 이중 모드 라만레이저 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 동작 모드별 레이저의 주파수 분포를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 간섭계용 이중 모드 라만레이저 시스템의 운용 방법을 나타낸 순서도.
1 is a schematic view of a dual mode Raman laser system for an atomic interferometer according to an embodiment of the present invention;
2 is a conceptual diagram illustrating a frequency distribution of a laser according to an operation mode according to the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of operating a dual mode Raman laser system for an atomic interferometer according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals are used to designate identical or similar elements, and redundant description thereof will be omitted.

또한, 이하에서 설명되는 실시예는 원자간섭계에 필요한 레이저 시스템의 경우에 해당하는 것이며, 이중모드 라만레이저 생성 및 운용외에 원자간섭게에 필요한 다른 부분들을 포함하고 있다. In addition, the embodiment described below corresponds to the case of a laser system required for an atomic interferometer and includes other parts necessary for the atomic interference crazing in addition to the dual mode Raman laser generation and operation.

본 발명에 필요한 수단은 크게 두 가지로 요약할 수 있다. The means necessary for the present invention can be roughly summarized in two ways.

첫 번째로, 본 발명은 라만 레이저를 발생시킬 수 있는 두 가지 방법을 동시에 구현할 수 있는 레이저 시스템을 제안한다. First, the present invention proposes a laser system capable of simultaneously implementing two methods capable of generating a Raman laser.

원자 간섭계를 구현하기 위해서는 라만 레이저외에 극저온 원자를 냉각할 때 쓰이는 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저, 상태 준비/선택 및 검출에 필요한 검출 레이저 등이 필요하며, 두 가지 라만 레이저 생성 기능을 갖는 레이저 시스템 설계 에는 가능한 한 원자 간섭계에 필요한 각종 레이저들을 최소한의 구성품으로 구현할 수 있도록 하여야 효율적인 레이저시스템 설계가 가능하다. In order to realize the atomic interferometer, a cooling laser and a re-pumping laser, which are used for cooling cryogenic atoms in addition to the Raman laser, and a detection laser necessary for state preparation / selection and detection are required. As much as possible, various lasers necessary for the atomic interferometer can be realized with minimum components, so that efficient laser system design is possible.

따라서, 본 발명에서는 3대의 레이저만으로 원자 간섭계에 필요한 각종 레이저들을 발생시키면서, 라만 레이저의 경우 두 가지 동작 모드가 가능한 레이저 시스템을 제공한다. 즉, 현재까지 알려진 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통해 라만 레이저를 구현하는 원자 간섭계용 레이저 시스템에서 필요한 최소한의 독립된 레이저 개수는 3대이며, 본 발명에서는 이와 동일한 3대의 독립된 레이저 및 유사한 기타 레이저 구현 관련 부품 개수로 두 가지 라만 레이저 동작모드가 가능한 레이저 시스템을 제공한다. Accordingly, the present invention provides a laser system capable of generating two types of lasers for the atomic interferometer, and three modes of operation for the Raman laser. In other words, the minimum number of independent lasers required in the laser system for the atomic interferometer that realizes the Raman laser through the phase stabilization based on the electrical control based on the present invention is three, and in the present invention, the same three independent lasers, The number of components provides a laser system capable of operating in two Raman laser modes.

두 번째로, 본 발명은 두 가지 라만 레이저 동작 모드가 가능한 레이저 시스템에서, 전기적 제어 기반의 위상 안정화에 이용되는 위상검출기의 출력 특성을 관측하고, 이를 이용하여 위상 안정화를 통해 구현되는 라만 레이저의 특성을 분석하는 동시에 임의의 운용환경에서도 안정적이며 최적화된 원자 간섭계 성능을 유지할 수 있도록 라만 레이저의 동작 모드를 실시간으로 선택할 수 있는 기법을 제안한다. Second, the present invention observe the output characteristics of a phase detector used for phase stabilization based on electrical control in a laser system capable of operating in two Raman laser modes, and the characteristics of a Raman laser realized through phase stabilization In this paper, we propose a method to select the operating mode of Raman laser in real time so as to maintain stable and optimized atomic interferometer performance in arbitrary operating environment.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 에 따른 원자 간섭계용 이중 모드 라만 레이저 시스템 및 그 운용 방법을 첨부된 도면을 이용하여 설명하기로 한다. Hereinafter, a dual mode Raman laser system for an atomic interferometer according to an embodiment of the present invention and a method of operating the same will be described with reference to the accompanying drawings.

앞에서 언급한 것처럼 본 발명은 운용환경에 대한 최적화된 라만 레이저 특성을 조성하고, 이를 통해 궁극적으로 운용환경 특성에 관계없이 원자 간섭계가 정밀한 성능을 가질 수 있도록 개선하기 위한 기법에 관한 것으로서, 운용 환경에 따라 장단점이 존재하는 두 가지 라만레이저 발생 방법을 동시에 구현할 수 있는 최적의 원자 간섭계용 레이저 시스템을 제안하고 이를 기반으로 운용환경 및 레이저 상태에 따라 발생된 두 가지 라만 레이저 중 하나를 선택하는 방식을 이용한다.As described above, the present invention relates to a technique for improving an atomic interferometer to have a precise performance irrespective of the characteristics of an operating environment, and ultimately to develop an optimized Raman laser characteristic for an operating environment. We propose an optimal laser system for an atomic interferometer that can simultaneously implement two Raman laser generation methods that have advantages and disadvantages, and use a method of selecting one of two Raman lasers generated according to the operating environment and laser condition .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자 간섭계용 이중 모드 라만레이저 시스템의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a dual mode Raman laser system for an atomic interferometer according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와같이, 원자 간섭계용 레이저 시스템은 주 레이저(11), 종 레이저(19), 역광 차단기(12, 110), 광 집속 및 분배기(13, 14, 111, 119, 122, 126), 광 검출기(15, 112), 주파수 제어기(16), 위상 검출기(113), 위상 제어기(114), 주파수 이동기(117), 광 변조기(118), 광 증폭기(120, 127), 셔터(121, 125, 130, 140), 음향광학 변조기(128), 반사용 거울(129), 아날로그-디지털 변환기(ADC)(137), 디지털 제어기(138), 디지털-아날로그 변환기(DAC)(139), 고주파 신호원(17, 116, 123, 132, 135), 제어 신호원(18, 115, 124, 125, 131, 133, 134, 136, 141)을 포함하여 구성된다. 1, the laser system for an atomic interferometer includes a main laser 11, a longitudinal laser 19, a backlight breaker 12, 110, a light focusing and distributing device 13, 14, 111, 119, A photodetector 15 and 112, a frequency controller 16, a phase detector 113, a phase controller 114, a frequency mover 117, an optical modulator 118, optical amplifiers 120 and 127, An analog-to-digital converter (ADC) 137, a digital controller 138, a digital-to-analog converter (DAC) 139, A high frequency signal source 17, 116, 123, 132 and 135 and a control signal source 18, 115, 124, 125, 131, 133, 134, 136 and 141.

여기서, 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통해 라만 레이저를 생성하는 부분을 제1동작모드 운용부라고 하고, 변조를 통해 라만 레이저를 생성하는 제2동작모드 운용부라고 칭한다. 상기 제1동작모드에서는 주 레이저와 종 레이저가 사용되고, 상게 제2모드에서는 주 레이저만 사용된다. 특히 제1동작모드에서 광변조기(18)에 아무런 신호도 입력되지 않는다. Here, a portion for generating a Raman laser through phase control based on electrical control is referred to as a first operation mode operation portion, and a second operation mode operation portion for generating a Raman laser through modulation. In the first operation mode, the main laser and the longitudinal laser are used, and in the second mode, only the main laser is used. In particular, no signal is input to the optical modulator 18 in the first mode of operation.

주 레이저(11)는 원자의 전이 흡수선 등에 주파수 안정화되어 있는 기준 레이저를 이용하여 주파수 제어기(16)를 통해 주파수 제어기(16)에 인가된 고주파 신호원(18)의 주파수만큼 기준 레이저로부터 주파수 이동된 상태로 주파수 안정화된다. 상기 사용되는 기준 레이저는 이 외에도 그 자체로 원자 상태 준비/선택 및 검출과정을 위해 사용 가능하다. The main laser 11 is frequency shifted from the reference laser by a frequency of the high frequency signal source 18 applied to the frequency controller 16 through the frequency controller 16 using a reference laser frequency- Frequency stabilized. The reference laser used may also be used for the atomic state preparation / selection and detection process itself.

주파수 안정화된 주 레이저(11)는 주파수 이동기(117)을 거쳐 광 변조기(118)로 입력된다. 상기 주파수 이동기(117)은 레이저 냉각시 deep cooling을 위해 냉각 레이저의 주파수를 점차적으로 변화시키는데, 이와 같은 기능을 주파수 제어기(16)가 담당할 수 있다면 주파수 이동기(117)는 생략 가능하다. 상기 주파수 이동기(117)는 음향광학 변조기(Acousto-optic modulator : AOM)등을 이용하여 구현이 가능하다. The frequency stabilized main laser 11 is input to the optical modulator 118 via the frequency shifter 117. The frequency shifter 117 gradually changes the frequency of the cooling laser for deep cooling during laser cooling. If the frequency controller 16 can take such a function, the frequency shifter 117 can be omitted. The frequency mover 117 may be implemented using an acousto-optic modulator (AOM) or the like.

상기 광 변조기(118)는 전기광학변조기(Electro-optic modulator : EOM) 형태의 광 위상 변조기(Phase modulator) 등으로 구성될 수 있으며, 상기 입력된 주 레이저(11)를 변조하여 측파대를 추가로 생성하는 역할을 수행한다. The optical modulator 118 may be an optical phase modulator in the form of an electro-optical modulator (EOM), and may further modulate the input main laser 11 to add a sideband It is responsible for creating.

상기 광 변조기(118)에서 변조된 레이저는 원자 간섭계의 동작 과정 중 레이저 냉각 시점에서 광 증폭기(120)를 통해 증폭된 후 레이저 냉각을 위해 필요한 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저 쌍으로 활용 가능하다. 또한, 광 변조기(118)에서 변조된 레이저는 원자의 분리, 반사, 간섭을 위한 시점에서 광 집속 및 분배기(119, 126)를 거쳐 광 증폭기(127)에서 증폭된 후 음향광학 변조기(128)를 통해 라만 레이저로 활용 가능하다. 여기서 음향광학 변조기(128)는 라만 레이저 펄스를 생성하기 위한 고속 셔터의 역할을 수행한다. 광 변조기(128)를 통해 라만 레이저를 생성할 때는 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저 쌍을 생성할 때와 달리, 원자의 흡수 공명선에서 멀리 떨어진 주파수를 가지기 위해 주파수 제어기(16)에 인가되는 고주파원(17)의 주파수가 커야한다. The laser modulated by the optical modulator 118 may be amplified through the optical amplifier 120 at the laser cooling time during operation of the atomic interferometer, and then utilized as a pair of a cooling laser and a re-pumping laser necessary for laser cooling. The laser modulated by the optical modulator 118 is amplified by the optical amplifier 127 through the optical converging and distributing units 119 and 126 at the time of separation, reflection, and interference of the atoms, and is then passed through the acoustooptic modulator 128 Can be used as a Raman laser. Here, the acousto-optic modulator 128 serves as a high-speed shutter for generating Raman laser pulses. When generating the Raman laser through the optical modulator 128, a high frequency source 17 (not shown) applied to the frequency controller 16 to have a frequency remote from the absorption line of the resonator, as opposed to generating a cooling laser and a pair of re- ) Should be large.

이와같이 본 발명은 주 레이저의 변조를 통해 냉각 레이저, 리펌핑 레이저 쌍 및 라만 레이저 쌍을 모두 생성할 수 있으며, 슬레이브 레이저(19)의 영향을 차단하기 위해 셔터(140)가 구비된다. Thus, the present invention can generate both the cooling laser, the re-pumping laser pair and the Raman laser pair through the modulation of the main laser, and the shutter 140 is provided to block the influence of the slave laser 19.

한편, 슬레이브 레이저(19)는 광 집속 및 분배기(111)에서 주 레이저(11)와 만나고, 이를 통해 생성된 맥놀이 신호와 위상 검출기(113)에 입력되는 매우 안정된 고주파 신호와의 위상 차이에 비례하는 전기적 신호를 위상 제어기(114)를 통해 슬레이브 레이저(19)에 피드백함으로써 슬레이브 레이저(19)는 주 레이저(11)에 위상 안정화된다. On the other hand, the slave laser 19 meets with the main laser 11 in the light focusing and distributing device 111, and is in proportion to the phase difference between the beat signal generated thereby and the highly stable high frequency signal input to the phase detector 113 The slave laser 19 is phase stabilized to the main laser 11 by feeding back the electrical signal to the slave laser 19 through the phase controller 114. [

전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통해 냉각 레이저, 리펌핑 레이저 쌍 및 라만 레이저 쌍을 생성할 때에는 변조를 통해 이들을 생성할 때와 달리, 주 레이저(11) 및 슬레이브 레이저(19)를 각 쌍을 구성하는 하나의 레이저로 이용하며, 광 변조기(118)에는 고주파 신호원(123)을 인가하지 않으며 셔터(121)는 차단한다. When generating the cooling laser, the re-pumping laser pair and the Raman laser pair through the electrical control based phase stabilization, the main laser 11 and the slave laser 19 constitute each pair And the high frequency signal source 123 is not applied to the optical modulator 118, and the shutter 121 is cut off.

즉, 레이저 냉각 시 적절한 주파수 이동 및 위상안정화 된 주 레이저(11) 및 종 레이저(19)는 광 집속 및 분배기(126)에서 만나 광 증폭기(127)에서 증폭된 후 음향광학 변조기(128) 및 반사용 거울(129)을 경유하여 광 집속 및 분배기(122)로 입력됨으로써 냉각(cooling) 레이저 및 리펌핑(repumping) 레이저 쌍으로 활용 가능하다. 비슷한 형태로, 원자의 분리, 반사 및 간섭 시 적절한 주파수 이동 및 위상 안정화 된 주 레이저(11) 및 종 레이저(19)는 음향광학 변조기(128)에서 라만 레이저 쌍으로 활용 가능하다.That is, when the laser is cooled, the main laser 11 and the longitudinal laser 19, which are appropriately frequency shifted and phase-stabilized, are converged in the light focusing and distributing unit 126 and amplified in the optical amplifier 127, And can be utilized as a cooling laser and a repumping laser pair by being input to the light focusing and distributing device 122 via the use mirror 129. In a similar fashion, the appropriate frequency shift and phase stabilized main lasers 11 and longitudinal lasers 19 in the separation, reflection and interference of the atoms are available as Raman laser pairs in the acousto-optic modulator 128.

상태 선택 및 검출 등의 과정에서는 냉각 레이저, 리펌핑 레이저 쌍이 아닌 리펌핑 레이저만 단독으로 필요할 때가 있는데, 이때는 광 변조기에 입력되는 변조신호의 진폭을 조절하여 반송파 주파수대 성분을 제한함으로써 리펌핑 레이저를 단독으로 구현할 수 있다. 또한, 레이저 냉각 시 설정된 주파수를 갖는 위상 안정화된 슬레이브 레이저(19)만을 이용할 수도 있는데 이를 위해서 두 개의 셔터(121, 125)는 차단하여야 한다. In the process of state selection and detection, only the re-pumping laser, not the cooling laser or the re-pumping laser pair, is needed alone. In this case, by regulating the amplitude of the modulating signal input to the optical modulator, . Further, only the phase stabilized slave laser 19 having a set frequency at the time of laser cooling may be used. To do this, the two shutters 121 and 125 must be shut off.

상기에서 언급된 광학부는 필요시 광섬유 기반 소자들로 구성될 수 있으며, 이 경우 광섬유로 레이저 빔이 연결된 형태의 레이저시스템 구현이 가능하다. 이때는 반사용 거울(129)은 필요가 없으며 음향광학변조기(128)의 한쪽 출력이 광섬유로 셔터(130)쪽에 직접 연결되도록 구성할 수 있다. The above-mentioned optical unit may be composed of optical fiber-based elements if necessary, and in this case, it is possible to realize a laser system in which a laser beam is connected to an optical fiber. In this case, the half mirror 129 is not necessary, and one output of the acousto-optic modulator 128 can be directly connected to the shutter 130 side with the optical fiber.

위상 안정화 상태를 확인하기 위해 위상 검출기(113)의 출력 일부는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(137)에서 디지털 신호로 변환된 뒤 디지털 제어기(138)로 입력된다. 디지털 제어기(138)는 기 설정된 기준(값)과 ADC(137)를 통해 확인된 위상 검출기(113)의 출력을 근거로 라만 레이저 동작 모드의 변경을 결정하여, 라만 레이저 발생 시점에 이를 반영하는 제어신호들을 발생한다. A portion of the output of the phase detector 113 is converted to a digital signal by an analog-to-digital converter (ADC) 137 and then input to the digital controller 138 to verify the phase stabilization state. The digital controller 138 determines the change of the laser operation mode only based on the preset reference value and the output of the phase detector 113 confirmed through the ADC 137 to control the laser operation mode Signals.

또한, 디지털 제어기(138)는 레이저 냉각, 상태 선택 및 검출 등의 과정에서는 기 설정된 레이저 구현 방법에 따라 특정 시점에 원자 간섭계에 필요한 레이저들이 적절히 적용될 수 있도록 제어신호들을 발생한다. 상기 발생된 디지털 제어 신호들은 DAC(139)에서 아날로그 신호로 변환된 후 제어 신호를 받아 동작을 수행하는 각 부분에 인가된다. In addition, the digital controller 138 generates control signals to appropriately apply the lasers necessary for the atomic interferometer at a specific time according to a predetermined laser implementation method in the process of laser cooling, state selection, and detection. The generated digital control signals are converted into analog signals in the DAC 139, and are then applied to the respective parts for performing operations by receiving control signals.

도 2는 본 발명에 따른 동작 모드별 레이저의 주파수 분포를 나타낸 개념도이다. 2 is a conceptual diagram illustrating a frequency distribution of a laser according to an operation mode according to the present invention.

전술한 바와같이, 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저 쌍은 변조를 이용한 방법으로 구현하고, 라만 레이저는 전기적 제어 기반의 위상 안정화 및 변조를 이용한 방법 모두를 선택적으로 이용한다. As described above, the cooling laser and the re-pumping laser pair are implemented by a method using modulation, and the Raman laser selectively uses both methods using phase control and modulation based on electrical control.

도 2에서 동작 모드 구분은 라만 레이저의 동작에 따른 구분을 의미하며, 여기서 제1동작모드(P-Mode)는 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통해 구현된 라만 레이저를 이용하는 모드, 제2동작모드(M-mode)는 변조를 통해 생성된 라만 레이저를 이용하는 모드를 의미한다. In FIG. 2, the operation mode classification refers to the division according to the operation of the Raman laser. In the first operation mode (P-Mode), a mode using Raman laser implemented through phase control based on electrical control, M-mode) means a mode using a Raman laser generated through modulation.

도 2에서 변조를 통해 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저 쌍을 구현한 주파수 분포도(21)를 살펴보면, ω0는 레이저 냉각에 이용되는 원자의 싸이클링(cycling) 전이선에 해당한다. 레이저 냉각을 위해 주 레이저는 ω0δ만큼 적색 편이 되어 주파수 안정화되며, 리펌핑 레이저는 주파수 안정화된 주 레이저를 α의 주파수를 갖는 고주파 신호를 이용하여 변조함으로써 생성된 ωc+α분에 해당한다. 기타 변조를 통해 생성된 측파대 및 고차 조화파 성분들은 원자의 흡수선에 공진되어 있지 않으므로 레이저 냉각에 큰 영향이 없다. Referring to the frequency distribution diagram 21 in which the cooling laser and the re-pumping laser pair are implemented through the modulation in FIG. 2, ω 0 corresponds to the cycling transition line of the atom used for laser cooling. For laser cooling, the main laser is redshifted by ω 0 δ to frequency stabilize, and the re-pumping laser corresponds to ω c + α generated by modulating the frequency-stabilized main laser using a high-frequency signal with a frequency of α . The sideband and higher harmonic components generated by the other modulations are not resonant to the absorption line of the atoms and therefore have little effect on laser cooling.

제2동작모드 주파수 분포도(23) 역시 원자의 흡수선에서 비공진 상태에 있도록 ㅿ만큼의 큰 주파수 편이를 가지도록 한 점만 빼고는 변조를 통해 냉각 레이저 및 리펌핑 레이저 쌍을 구현한 주파수 분포도(21)와 유사하며, 변조를 통해 생성된 점선 사각형 안의 주파수 성분들을 라만 레이저로 활용한다. 제1동작모드 주파수 분포도(22) 역시 점선 안의 주파수 성분들은 제2동작모드 주파수 분포도(23)와 같은 형태이지만, 제2동작모드 주파수 분포도(23)에서 확인되는 불필요한 측파대 및 고차 조화파 성분은 없음을 확인할 수 있다.The second operating mode frequency distribution map 23 also includes a frequency distribution diagram 21 that implements the cooling laser and the re-pumping laser pair through modulation, except that the second operating mode frequency distribution map 23 also has a large frequency shift as long as it is in a non- And the frequency components in the dotted rectangle generated through modulation are utilized as a Raman laser. The first operating mode frequency distribution map 22 also shows that the frequency components in the dotted line are the same as the second operating mode frequency distribution map 23 but the unnecessary sideband and higher harmonics components identified in the second operating mode frequency distribution map 23 Can be confirmed.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자 간섭계용 이중 모드 라만레이저 시스템의 운용 방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of operating a dual mode Raman laser system for an atomic interferometer according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와같이, 먼저 이중 모드 라만 레이저의 운용방법에 대한 정보를 설정하는 초기화 단계(31)를 수행한다. As shown in FIG. 3, first, an initialization step 31 for setting information on a method of operating a dual mode Raman laser is performed.

상기 정보는 라만 레이저의 동작 모드 별 π 및 π/2 펄스 시간을 사전 시험을 통해 확인하고 라만 레이저 펄스간 시간, 원자 흡수선에 대한 라만 레이저의 주파수 편이, 운용 환경 및 레이저 상태에 따라 동작 모드의 변경(switching) 여부를 나타내는 레이저 운용 방법, 동작 모드를 유지하는 경우 제1동작모드 및 제2동작모드 중 어느 동작 모드를 유지하는지에 대한 방법, 위상 검출기에서 확인된 제어 오차신호의 특성에 따라 레이저 상태를 규정하는 방법 등을 포함한다. The above information is confirmed by preliminary testing of the π and π / 2 pulse times of the Raman laser operating modes, and the Raman laser pulse time, the frequency shift of the Raman laser to the atomic absorption line, the operation mode change a method for determining whether to maintain one of a first operation mode and a second operation mode when the operation mode is maintained, a method for maintaining a laser state according to characteristics of a control error signal identified in the phase detector, And the like.

초기화 단계가 수행되면 디지털 제어기(138)는 먼저 설정된 레이저 운용방법을 확인하는 단계(32)를 수행한다. 상기 단계(31)에서는 초기화 단계(31)에서 설정된 레이저 운용방법을 근거로 라만 레이저의 동작 모드를 바꾸는 형태를 취할 것인지 아니면 유지할 것인지 결정한다. When the initialization step is performed, the digital controller 138 performs a step 32 of confirming the set laser operation method. In step 31, it is determined whether to change the operation mode of the Raman laser based on the laser operation method set in the initialization step 31 or not.

라만 레이저 동작 모드의 유지가 설정된 경우 디지털 제어기(138)는 어떤 동작 모드로 유지할지 확인하는 라만 레이저 동작 모드 확인 단계(36)로 이동한다. 확인결과 제1동작모드를 유지하는 것으로 확인되면 디지털 제어기(138)는 라만 레이저를 제1동작모드로 동작시키는 제1동작모드 동작 단계(37)로 이동한다. If the maintenance of the Raman laser operating mode is set, the digital controller 138 moves to the Raman laser operating mode checking step 36, which confirms what operating mode to hold. If it is confirmed that the first operation mode is maintained, the digital controller 138 moves to the first operation mode operation step 37 in which the Raman laser is operated in the first operation mode.

상기 제1동작모드 동작 단계(37)에서 디지털 제어기(138)는 위상 검출기(113)의 출력으로부터 확인된 제어 오차 신호 특성(

Figure 112013102075777-pat00001
)이 고장에 준하는
Figure 112013102075777-pat00002
값이내에 해당하면 제1동작모드 동작 상태를 유지한다. 반면에, 제어 오차 신호 특성(
Figure 112013102075777-pat00003
)이 고장에 준하는
Figure 112013102075777-pat00004
값보다 크면, 디지털 제어기(138)는 제1동작모드는 더 이상 제어가 되지 않는 고장 상태로 보고 제2동작모드 동작 단계(38)로 이동한다. In the first operating mode operation step 37, the digital controller 138 receives the control error signal characteristic (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112013102075777-pat00001
) Based on this failure
Figure 112013102075777-pat00002
Value, the first operation mode operation state is maintained. On the other hand, the control error signal characteristic (
Figure 112013102075777-pat00003
) Based on this failure
Figure 112013102075777-pat00004
Value, the digital controller 138 moves to the second operating mode operating step 38 by reporting the first operating mode to a fault condition that is no longer controlled.

제2동작모드 동작에서는 가혹한 외부 물리량 인가에 따라 라만 레이저간 위상이 바뀌는 문제가 없으므로 이를 유지한다. 이 과정에서 제1동작모드 동작에서 깨어진 제어를 다시 풀고 다시 정상적인 동작이 가능하도록 조치를 취하면, 디지털 제어기(138)는 다시 초기화 단계(31)로 이동하여 초기화 단계에서 설정된 방법에 따라 다시 동작 시퀀스를 수행한다. In the second operation mode operation, there is no problem that the phase between the Raman lasers changes due to a severe external physical quantity, and therefore, it is maintained. In this process, if the broken control is released again in the first operation mode operation and measures are taken to enable normal operation again, the digital controller 138 moves to the initialization step 31 again, .

한편 레이저 운용 방법 확인단계(32)에서 라만 레이저의 동작 모드를 바꾸는 운용 방법이 선택된 경우 디지털 제어기(138)는 제1동작모드 동작 단계(33)로 이동하여 라만 레이저를 제1동작모드로 동작시킨다. On the other hand, when the operation method of changing the operation mode of the Raman laser is selected in the laser operation method confirmation step 32, the digital controller 138 moves to the first operation mode operation step 33 to operate the Raman laser in the first operation mode .

이후 디지털 제어기(138)는 위상 검출기(113)에서 확인된 제어 오차 신호 특성(

Figure 112013102075777-pat00005
)에 따라 다음 단계를 결정한다. 즉, 초기화 단계(31)에서 제어 오차 신호 특성(
Figure 112013102075777-pat00006
)이 T값 이내에 드는 것이 정상 동작으로 설정된 경우, 상기 일정 시간동안 확인된 제어 오차 신호 특성(
Figure 112013102075777-pat00007
)이 T값보다 작을 경우에는 제1동작모드 동작 단계(33)을 유지하고, 제어 오차 신호 특성(
Figure 112013102075777-pat00008
)이 T값 보다 커서 제1동작모드에서 라만 레이저 성능을 보장하기 힘든 경우 제2동작모드 동작 단계(35)로 이동한다. 제2동작모드 동작 단계(35)에서 다시 제어 오차신호 특성(
Figure 112013102075777-pat00009
)이 정상동작에 해당하는 T값보다 작은 영역에 있음이 감지되면, 디지털 제어기(138)는 다시 제1동작모드 동작 단계(33)로 이동한다. The digital controller 138 then compares the control error signal characteristics (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112013102075777-pat00005
) To determine the next step. That is, in the initialization step 31, the control error signal characteristic (
Figure 112013102075777-pat00006
) Is set to a normal operation, the control error signal characteristic
Figure 112013102075777-pat00007
) Is smaller than the T value, the first operation mode operation step 33 is maintained, and the control error signal characteristic (
Figure 112013102075777-pat00008
) Is greater than the T value and it is difficult to guarantee the Raman laser performance in the first operation mode, the operation proceeds to the second operation mode operation step (35). In the second operation mode operation step 35, the control error signal characteristic (
Figure 112013102075777-pat00009
Is in an area smaller than the T value corresponding to the normal operation, the digital controller 138 moves again to the first operation mode operation step 33. [

또한, 제1동작모드 동작 단계(33)에서 제어 오차 신호 특성(

Figure 112013102075777-pat00010
)이 고장에 준하는
Figure 112013102075777-pat00011
값보다 큰 값으로 확인될 경우 디지털 제어기(138)는 제2동작모드 동작 단계(34)로 이동하고 제2동작모드 라만 레이저 동작을 유지한다. 이 과정에서 제1동작모드 동작에서 깨어진 제어를 다시 풀고 다시 정상적인 동작이 가능하도록 조치를 취한다면 디지털 제어기(138)는 다시 초기화 단계(31)로 이동하여 초기화 단계에서 설정된 방법에 따라 다시 동작 시퀀스를 수행한다. Further, in the first operation mode operation step 33, the control error signal characteristic (
Figure 112013102075777-pat00010
) Based on this failure
Figure 112013102075777-pat00011
Value, the digital controller 138 moves to the second operation mode operation step 34 and maintains the laser operation only in the second operation mode. In this process, if the broken control is released again in the first operation mode operation, and the countermeasure is taken to enable the normal operation again, the digital controller 138 moves to the initialization step 31 again and performs the operation sequence again according to the method set in the initialization step .

이와 같이 본 발명은, 라만 레이저를 발생시킬 수 있는 상기에서 설명한 두 가지 방법을 동시에 구현할 수 있는 레이저 시스템을 제안하고 이를 기반으로 운용환경 및 레이저 상태에 따라 발생된 두 가지 라만 레이저 중 하나를 선택하는 방법을 적용 함으로써 운용환경에 대해 최적화된 라만 레이저 특성을 조성하고 이를 통해 궁극적으로 운용환경 특성에 관계없이 원자 간섭계의 정밀한 성능을 유지할 수 있다. As described above, the present invention proposes a laser system capable of simultaneously implementing the above-described two methods capable of generating a Raman laser, and based on this, selects one of two Raman lasers generated according to the operating environment and the laser condition Method can be used to create optimized Raman laser characteristics for the operating environment and ultimately maintain the precise performance of the atomic interferometer regardless of the operating environment characteristics.

그리고, 본 발명은 최소한의 구성품만으로 이중 모드 라만 레이저 동작이 가능한 원자 간섭계용 레이저시스템 및 이를 이용하여 운용환경 및 레이저 특성 상황에 맞는 라만 레이저를 선택 및 적용한다. In addition, the present invention selects and applies a laser system for an atomic interferometer capable of operating a dual mode Raman laser using only a minimum number of components, and a Raman laser suitable for the operating environment and laser characteristic conditions.

또한, 본 발명에서는 원자간섭계를 예로들어 설명하였지만 이에 한종되지 않고 본 발명에 따른 이중모드 라만레이저 시스템 및 그 운용방법은, 전자기 유도 투과 및 흡수, 라만 속도 선택, 조밀 파장 분할 다중화(DWDM), 분광학, 광전자 고정밀 발진기 등 각종 물리 및 광학분야에서 동일하게 이용될 수 있다. The dual mode Raman laser system and the method of operating the same according to the present invention are not limited to electromagnetic induction and absorption, Raman velocity selection, dense wavelength division multiplexing (DWDM), spectroscopy , Optoelectronic high precision oscillators, and the like.

따라서, 본 발명을 통해 소형이면서도 다기능을 가지는 원자간섭계용 레이저시스템 구현이 가능하다. 일반적으로 많은 기능을 가진 시스템을 구현하기 위해서는 많은 수의 부품을 이용하여 요구되는 기능을 구현하기 마련인데, 이런 경우 시스템의 크기가 커지고 복잡해지는 단점이 있을 수밖에 없다. 하지만 본 발명에서는 유사한 기능은 통합하고, 기능 다양화를 위한 최적화 설계를 통해 상대적으로 적은 수의 부품을 이용하여 많은 기능을 구현할 수 있는 레이저시스템 구현이 가능하다.Accordingly, it is possible to realize a laser system for a small and multifunctional atomic interferometer through the present invention. Generally, in order to implement a system having many functions, a large number of parts are required to implement required functions. In such a case, there is a drawback that the size of the system becomes large and complicated. However, in the present invention, it is possible to realize a laser system that can integrate similar functions and implement many functions using a relatively small number of parts through optimization design for diversification of functions.

또한, 원자간섭계 성능 향상을 위해 전기적 제어 기반의 라만레이저만을 이용하는 기존 기술의 경우 가혹한 운용 환경에서는 고장의 위험이 있거나 높은 측정 오차를 야기할 수 있다. 또한, 가혹한 운용 환경에 강인한 라만레이저 적용을 위해 변조를 통해 발생된 라만 레이저만을 이용하는 기존 기술의 경우에는 안정된 환경에서 위상 안정화를 통한 라만 레이저를 적용한 경우에 비하여 높은 측정 오차를 야기할 수 있었다. In addition, existing technologies using only an electric control based Raman laser to improve the performance of an atomic interferometer may cause a failure or a high measurement error in a severe operating environment. In addition, in the case of the conventional technique using only the Raman laser generated through the modulation for the application of the Raman laser which is robust to the severe operating environment, a high measurement error can be caused compared to the case of applying the Raman laser through the phase stabilization in the stable environment.

하지만 본 발명은 주어진 운용환경에서 실시간으로 적합한 라만 레이저를 선택하고 이를 이용할 수 있기 때문에, 기존의 하나의 라만 레이저만을 이용하는 원자 간섭계에 비해 가혹한 운용환경에서도 고장의 위험이 없으며, 운용환경에 관계없이 최적화된 성능을 가질 수 있는 원자 간섭계를 구현할 수 있다. However, since the present invention can select and use a suitable Raman laser in real time in a given operating environment, there is no risk of failure even in a severe operating environment as compared with an existing interferometer using only one Raman laser, An atomic interferometer can be realized which has a high performance.

상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. It is to be understood that the configurations and methods of the embodiments described above are not limitedly applied, but that the embodiments may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive.

11 : 주 레이저 12 : 종 레이저
16 : 주파수 제어기 113 :광 검출기
114 : 위상 제어기 118 : 광 변조기
138 : 디지털 제어기
11: main laser 12: longitudinal laser
16: Frequency controller 113: Photodetector
114: phase controller 118: optical modulator
138: Digital controller

Claims (10)

주 레이저와 종 레이저간의 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통하여 라만 레이저를 생성하는 제1동작모드로 시스템을 운용하는 단계;
주 레이저를 광 변조하여 라만 레이저를 생성하는 제2동작모드로 원자 간섭계를 운용하는 단계; 및
상기 원자 간섭계의 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 상기 두 동작모드중 하나를 선택하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만레이저 시스템의 운용 방법.
Operating the system in a first operation mode for generating a Raman laser through phase control based on electrical control between the main laser and the seed laser;
Operating an atomic interferometer in a second mode of operation for generating a Raman laser by optically modulating the main laser; And
And selecting one of the two operation modes according to the operation environment of the atomic interferometer and the state of the laser.
제1항에 있어서, 상기 제1동작모드에서는
주 레이저와 종 레이저가 사용되고, 상기 제2동작모드에서는 주 레이저만 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템의 운용 방법.
2. The method of claim 1, wherein in the first mode of operation
Wherein a main laser and a longitudinal laser are used, and in the second mode of operation only the main laser is used.
제1항에 있어서, 상기 두 동작모드중 하나는 선택하는 단계는
주 레이저와 종 레이저에 의해 생성된 맥놀이 신호와 안정된 고주파 신호간의 위상차이를 위상 검출기를 통해 검출하는 단계;
상기 검출된 위상차이에 비례하는 전기신호를 위상 제어기를 통해 생성하여 종 레이저에 피드백하여 종 레이저를 주 레이저에 위상 안정화시키는 단계;
상기 위상 검출기의 출력 특성을 판단하는 단계; 및
상기 판단된 위상 검출기의 출력 특성을 바탕으로 원자 간섭계의 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 라만 레이저 동작 모드를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만레이저 시스템의 운용 방법.
2. The method of claim 1, wherein selecting one of the two modes of operation comprises:
Detecting a phase difference between a beat signal generated by the main laser and the longitudinal laser and a stable high frequency signal through a phase detector;
Generating an electrical signal proportional to the detected phase difference through a phase controller and feeding back the electrical signal to the longitudinal laser to phase stabilize the longitudinal laser to the main laser;
Determining an output characteristic of the phase detector; And
And determining a Raman laser operation mode according to an operating environment of the atomic interferometer and a laser condition based on the determined output characteristics of the phase detector.
제1항에 있어서, 상기 두 동작모드중 하나는 선택하는 단계는
제1동작모드로 원자 간섭계를 운용하는 단계;
위상 검출기의 출력 특성을 판단하는 단계; 및
상기 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장하기 어려운 경우 제2동작모드로 자동 전환하는 단계;를 포함하며,
상기 제2동작모드 동작중에 위상 검출기의 출력 특성이 제1동작모드에서 라만 레이저의 성능을 보장할 수 있는지의 여부에 따라 제2동작모드를 유지할 것인지 아니면 제1동작모드로 전환할 것인지를 판단하고 이를 적용하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템의 운용방법.
2. The method of claim 1, wherein selecting one of the two modes of operation comprises:
Operating an atomic interferometer in a first mode of operation;
Determining an output characteristic of the phase detector; And
And automatically switching to a second operation mode when the output characteristic of the phase detector is difficult to guarantee the performance of the Raman laser,
It is determined whether to maintain the second operation mode or to switch to the first operation mode depending on whether the output characteristic of the phase detector during the second operation mode operation can guarantee the performance of the Raman laser in the first operation mode And then applying the same to the dual mode Raman laser system.
제1항에 있어서, 주파수 안정환된 레이저를 기준 레이저로, 기준레이저에 주파수 안정화된 레이저를 주 레이저로 구성하여, 원자간섭계 구현에 필요한 냉각레이저,리펌핑레이저,검출레이저, 원자 내부에너지 상태준비 및 상태선택레이저,라만 레이저를 특정 시점에 발생시키고 이를 운용하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템의 운용방법. The method of claim 1, wherein the frequency-stabilized laser is a reference laser and the reference laser is a frequency-stabilized laser. The laser is a cooling laser, a re-pumping laser, a detection laser, State laser, a state-selective laser, and a Raman laser at a specific point in time and operates the dual-mode Raman laser system. 주 레이저와 종 레이저간의 전기적 제어 기반의 위상 안정화를 통하여 라만 레이저를 생성하는 제1동작모드 운용부;
주 레이저를 광 변조하여 라만 레이저를 생성하는 제2동작모드 운용부; 및
상기 주 레이저와 종 레이저간의 위상 안정화에 이용되는 위상 검출기의 출력 특성을 판단하여 운용 환경 및 레이저의 상태에 따라 제1,제2동작모드 운용부를 선택적으로 운용하는 디지털 컨트롤러;로 구성된 이중 모드 라만 레이저 시스템.
A first operating mode operating unit for generating a Raman laser through phase control based on electrical control between the main laser and the longitudinal laser;
A second operation mode operating section for generating a Raman laser by optically modulating the main laser; And
And a digital controller for judging an output characteristic of the phase detector used for phase stabilization between the main laser and the seed laser and selectively operating the first and second operation mode operation units according to the operating environment and the laser state, system.
제6항에 있어서, 상기 제1동작모드에서는
주 레이저와 종 레이저가 모두 사용되고, 상기 제2동작모드에서는 주 레이저만 사용되며, 상기 종 레이저는 주 레이저에 위상 안정화되는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템.
7. The method of claim 6, wherein in the first mode of operation
Wherein both the main laser and the longitudinal laser are used and only the main laser is used in the second mode of operation and the longitudinal laser is phase stabilized to the main laser.
제6항에 있어서, 상기 디지털 컨트롤러는
주 레이저와 종 레이저에 의해 생성된 맥놀이 신호와 안정된 고주파 신호간의 위상차이를 위상 검출기에서 검출하여 상기 검출된 위상차이에 비례하는 전기신호를 위상 제어기를 통해 종 레이저에 피드백하여 종 레이저를 주 레이저에 위상 안정화시킬 때, 상기 위상 검출기의 출력 특성에 근거하여 동작 모드를 변경하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템.
7. The apparatus of claim 6, wherein the digital controller
A phase detector detects a phase difference between a beat signal generated by the main laser and the longitudinal laser and a stable high frequency signal, and an electric signal proportional to the detected phase difference is fed back to the longitudinal laser through the phase controller, And the operating mode is changed based on an output characteristic of the phase detector when the phase is stabilized.
제6항에 있어서, 상기 디지털 컨트롤러는
제1동작모드로 원자 간섭계를 운용할 때 위상 검출기의 출력 특성을 판단하여, 위상 검출기의 출력 특성이 라만 레이저의 성능을 보장하기 어려운 경우 제2동작모드로 전환하거나, 제2동작모드 운용중에 위상 검출기의 출력 특성이 제1동작모드에서 라만 레이저의 성능을 보장할 수 있는지의 여부에 따라 제2동작모드를 유지할 것인지 아니면 제1동작모드로 전환할 것인지를 판단하고 이를 적용하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템.
7. The apparatus of claim 6, wherein the digital controller
The output characteristic of the phase detector can be determined when the atomic interferometer is operated in the first operation mode, and it is possible to switch to the second operation mode when the output characteristic of the Raman laser is difficult to guarantee the performance of the Raman laser, Characterized in that it is determined whether to maintain the second operation mode or to switch to the first operation mode according to whether the output characteristic of the detector can guarantee the performance of the Raman laser in the first operation mode and to apply it Mode Raman laser system.
제6항에 있어서, 주파수 안정환된 레이저를 기준 레이저로, 기준레이저에 주파수 안정화된 레이저를 주 레이저로 구성하여, 원자간섭계 구현에 필요한 냉각레이저,리펌핑레이저,검출레이저, 원자 내부에너지 상태준비 및 상태선택레이저,라만 레이저를 특정 시점에 발생시키고 이를 운용하는 것을 특징으로 하는 이중 모드 라만 레이저 시스템.7. The method of claim 6, wherein the frequency-stabilized laser is a reference laser and the reference laser is a frequency-stabilized laser. The cooling laser, the re-pumping laser, the detection laser, State laser, a state-selective laser, and a Raman laser at a specific point in time and operates the dual-mode Raman laser system.
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