本发明涉及一种用于拉曼激光系统的相位抖动反馈控制技术，特别是一种基于声光调制器和压电陶瓷双通道反馈控制的相位抖动抑制装置和方法，分别实现对高、低频相位抖动的有效抑制，属于量子精密测量领域。
背景技术：
基于激光冷却和囚禁的(超)冷原子具有速度小易于操控的特点，其德布罗意波波长和激光相比要小3～4个量级，因此量子干涉测量技术可以提供更小的测量尺度，这意味着利用冷原子构成的量子传感仪器可以获得远高于传统光学传感器的精度和灵敏度，在精密测量和基本物理效应验证等领域具有巨大应用前景。具有一定频差且相位恒定的拉曼激光系统是形成原子干涉仪的关键部件，在对原子操控的过程中，基于原子-激光相互作用，拉曼激光的相位会直接叠加到原子总相位中。当拉曼激光系统的相位发生抖动，会对外界转动或加速度引起的相移检测造成误差，这对高精度测量具有非常不利的影响，因此需要合适的措施来抑制拉曼激光系统的相位抖动。
传统的相位反馈方法主要有两种。一种是将拉曼激光的相位差通过拍频的方法提取处理，然后通过相位反馈系统处理后，直接反馈给电光调制器或者声光调制器，从而抵消光路中的相位抖动。但这种方法通常需要对整个噪声频段进行反馈，由于反馈系统增益带宽积一定，因此在保证大带宽的条件时，无法在低频和高频段同时获得较好的相位噪声抑制效果。另一种相位反馈方法是将提取的反馈信号经过处理后，分为低频和高频分别伺服控制激光器，其中低频成分反馈给激光器的pzt，通过调节激光器的腔长，改变激光频率来调节相位；高频成分反馈给激光器的电流控制器，通过改变电流来改变频率，实现对拉曼激光相位中的高频抖动进行补偿。这种方式可以同时实现高频和低频成分的独立反馈控制，具有较好的控制效果，但由于这种拉曼激光方案采用了两个激光器，这意味着激光器的相位噪声无法消除，限制了拉曼激光相位噪声性能的进一步提高。
技术实现要素：
本发明的主要目的是解决拉曼激光系统中的相位抖动问题，利用声光调制器和压电陶瓷双通道反馈控制方法，分别实现对高、低频相位噪声的有效抑制，从而在大频率偏移范围内降低拉曼激光系统的相位抖动。
本发明的一种用于拉曼激光系统的双通道相位噪声抑制装置，包括稳频激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、45°反射镜、电光调制器、法布里-珀罗干涉仪、第三1/2波片、声光调制器、平凸透镜、1/4波片、0°反射镜、pzt、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜、起偏器、探测器、预处理电路、基于fpga的控制电路、第一d/a转换器、第二d/a转换器、声光调制器驱动、pzt驱动、电光调制器驱动、法布里-珀罗干涉仪控制器和第四1/2波片。
本发明所述装置使用稳频激光器作为整个拉曼激光系统的光源，其中激光器的频率被锁定在铷87原子的d2跃迁谱线，具有较好的长期频率稳定性。1/2波片是为了调节激光器输出激光的偏振态。偏振分光棱镜是为了和1/2波片配合使用，对透射和反射的光功率进行根据需要进行分配，其中透射光是水平偏振态，反射光是垂直偏振态。电光调制器对稳频的激光进行调制，分别产生‘-1’级，‘0’级和‘+1’级边带，其中电光调制器通过电光调制器驱动输出的微波功率进行控制。利用法布里-珀罗干涉仪对经过电光调制后的激光进行光学滤波，通过设置合适的腔长，仅允许经过电光调制器后的‘-1’级边带通过。法布里-珀罗干涉仪的透射频率通过法布里-珀罗干涉仪控制器改变腔长来实现。45°反射镜一方面用于偏折光路，另一方面用于调节光路和电光调制器的透光轴重合。声光调制器利用声波对经过的激光进行移频，产生‘0’级和‘±1’级和少量‘±2’级光。其中‘-1’级光的衍射效率通过声光调制器驱动输出的射频功率进行控制。平凸透镜使声光调制器衍射的“-1”级光平行出射，这样可以实现光路的双通结构，当改变频率时不会引起输出激光方向的变化。1/4波片使入射的线偏振光变为圆偏振光，和0°反射镜配合使反射激光的偏振态改变90度，即从垂直偏振态变为水平偏振态。pzt紧密安装在0°反射镜后表面，用于使0度反射镜产生轻微形变，改变激光的光程差。pzt的位移通过pzt驱动控制。起偏器用于将两束偏振态垂直的拉曼激光映射到同一偏振态，实现光学拍频。探测器用于接收拍频信号，将光信号转换为电信号。预处理电路包含下混频和a/d转换两部分，其中下混频电路将探测器的高频信号转为a/d转化器能够采集的中频信号，a/d转换器用于将探测器接收到的模拟电信号转变为数字信号，方便后续采用基于fpga的控制电路进行信号处理。基于fpga的控制电路对输入的信号进行计算和处理，得到的误差信号分别通过低通和高通滤波器进行输出，其中低频信号经过d/a转换器将数字信号还原成模拟控制信号后，反馈到pzt，改变声光调制器光路的光程差；高频信号经过另一个d/a转换器经数字信号还原为高频模拟控制信号，反馈给声光调制器驱动，直接改变声光调制器光路的相位，从而调节两束激光的相位差。
本发明所述的电光调制器用于产生所需的大频率移频，输出的‘-1’级，‘0’级和‘+1’边带的功率与电光调制器驱动输入的微波功率有关，其中‘-1’级和‘+1’级边带的功率相等。电光调制器调制后的激光方向保持不变，偏振态也保持不变，‘-1’级和‘+1’级边带的频率相对‘0’级光的频率产生移频，移频量和电光调制器驱动频率相等。
本发明所述的法布里-珀罗干涉仪内部为实心熔融石英玻璃，干涉仪的腔长通过控制器独立控制。
本发明所述的预处理电路兼具信号处理和a/d转换功能。
本发明所述的fpga电路将a/d转换器采集的电路信号进行滤波和放大等处理，得到误差反馈信号。误差反馈信号分为两路，高频的一路信号通过d/a转换器施加到声光调制器驱动上，另一路低频信号通过d/a转换器施加给pzt驱动，通过改变施加到pzt的控制电压，改变0度反射镜，从而改变两束拉曼激光的光程差，达到对低频大振幅相位抖动进行抑制的目的。
本发明所述的声光调制器，声光调制器驱动，平凸透镜，1/4波片，0°反射镜，pzt，pzt驱动，探测器，偏振分束棱镜，起偏器，a/d转换器，fpga控制电路和d/a转换器形成一个相位的双路闭环反馈系统，该反馈系统的带宽有pzt、声光调制器驱动和fpga控制电路的电路延迟综合决定。
本发明的优点在于：
(1)利用电光调制器和声光调制器分别对激光进行移频，综合产生所需的具有固定频差的拉曼激光，可以实现对两束激光输出功率和频率的独立控制；
(2)采用独立的高频相位反馈和低频相位反馈通道，通过直接改变激光的相位和改变两束激光的光程差，实现对大频段范围拉曼激光相位噪声的有效抑制，可有效降低拉曼激光系统的相位噪声；
(3)分别采用高频反馈和低频反馈两条路径来抑制拉曼激光相位抖动，和单通道相位反馈系统相比，降低了对电路系统的要求，且提高了相位反馈系统的稳定性；
附图说明
图1是拉曼激光相位抖动反馈控制装置示意图。
图中：
1：稳频激光器2：第一1/2波片3：第一偏振分光棱镜
4：第二1/2波片5：45°反射镜6：电光调制器
7：法布里-珀罗干涉仪8：第三1/2波片9：声光调制器
10：平凸透镜11：1/4波片12：0°反射镜
13：pzt14：第二偏振分光棱镜15：第三偏振分光棱镜
16：起偏器17：探测器18：预处理电路
19：基于fpga的控制电路20：第一d/a转换器21：第二d/a转换器
22：声光调制器驱动23：pzt驱动24：电光调制器驱动
25：法布里-珀罗干涉仪控制26：第四1/2波片器
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种拉曼激光相位抖动抑制技术，用于提高拉曼激光的相位相干性，主要是一种基于双环路相位反馈的拉曼激光相位抖动反馈控制装置。
本发明的一种基于双环路相位反馈的拉曼激光相位抖动反馈控制装置，如图1所示，主要包含稳频激光器1、第一1/2波片2、第一偏振分光棱镜3、第二1/2波片4、45°反射镜5、电光调制器6、法布里-珀罗干涉仪7、第三1/2波片8、声光调制器9、平凸透镜10、1/4波片11、0°反射镜12、pzt13、第二偏振分光棱镜14、第三偏振分光棱镜15、起偏器16、探测器17、预处理电路18、基于fpga的数字控制电路19、第一d/a转换器20、第二d/a转换器21、声光调制器驱动22、pzt驱动23、电光调制器驱动24、法布里-珀罗干涉仪控制器25和第四1/2波片26，各部分通过激光光路(图中实线)和同轴电缆(图中虚线)连接。
本发明提供一种拉曼激光相位抖动反馈控制装置，使用稳频激光器1作为激光源，激光器1的频率被锁定在铷87原子的d2跃迁谱线，保证输出激光具有较好的长期频率稳定性。所述的第一1/2波片2用于改变从激光器1输出的激光的偏振态，与第一偏振分光棱镜3配合，调节经过第一偏振分束棱镜3透射端口和反射端口的光功率。所述的第一偏振分光棱镜3的透射激光偏振态为水平线偏振光，反射激光偏振态为垂直线偏振光。所述的第二1/2波片4用于将第一偏振分光棱镜3透射激光的偏振态改变90°，从而经过第二偏振分光棱镜14后光路偏转90°，被全部反射。所述的45°反射镜5用于偏折经过第一偏振分光棱镜3反射的激光，使其光路偏振90°。所述的电光调制器6对入射的激光进行相位调制，产生‘-1’级、‘0’级和‘+1’级边带，‘±1’级边带和‘0’级光的频差为电光调制器6的中心谐振频率。所述的电光调制器驱动24用于产生驱动电光调制器6所需的频率和微波功率。所述的法布里-珀罗干涉仪7用于对经过电光调制器6的多频率激光进行光学选频，仅允许‘-1’级边带通过。所述的法布里-珀罗干涉仪25用于产生所需的控制信号，保证法布里-珀罗干涉仪7的腔长对应的透射频率和电光调制器6的谐振频率一致。第三1/2波片8用于改变经过法布里-珀罗干涉仪7后的激光偏振态，和第三偏振分光棱镜15配合，使一部分激光透射，一部分激光反射。
所述的声光调制器9用于对第二偏振分光棱镜14反射的激光进行调制，产生‘-1’级、‘0’级和‘+1’级光，由于利用的布拉格衍射效应，因此三束激光在空间上是分开的，这里仅选取‘-1’级激光。所述的声光调制器驱动22用于产生驱动声光调制器9所需的频率和功率。所述的平凸透镜10调整声光调制器9的输出光路，进行准直，平凸透镜10的前焦点位于声光调制器9的中心。所述的1/4波片11用于将经过声光调制器9的线偏振光变为圆偏振光。所述的0°反射镜12用于反射经过1/4波片的圆偏振光，将左旋圆偏振光改变为右旋圆偏振光。反射镜12位于平凸透镜10的后焦点处。所述的pzt13用于调节0°反射镜的形变，产生相位反馈所需的位移。pzt13紧密放置在0°反射镜13的后表面。所述的pzt驱动23用于提供给pzt13驱动0°反射镜12所需的控制信号。所述的起偏器16用于接收从第三偏振分光棱镜15出射的激光，然后将两束垂直偏振态的激光投影到同一个偏振态，发生拍频。所述的探测器17用于接收光学拍频信号，并将其转换为待处理的电信号。所述的预处理电路18用于将高频信号进行下变频得到中频信号，然后将模拟电信号转化为数字电信号。所述的fpga控制电路19用于处理预处理电路18提供的中频误差信号，通过鉴相、滤波、放大等环节，然后分为两路输出相位反馈控制信号。所述的第一d/a转换器20和第二d/a转换器21用于将fpga19输出的数字相位抖动反馈控制信号转换为模拟控制信号，然后分别控制声光调制器驱动22和pzt驱动23。
本发明所述的电光调制器6对入射激光进行调制，当入射激光为水平线偏振时，调制效果最高；当入射激光为垂直线偏振时，调制效果最差。电光调制器6的出射激光包含三个频率成分，分别为‘-1’级，‘0’级和‘+1’级激光；‘0’级激光的频率和方向都不变，‘+’1(‘-1’)级激光的频率增加(减少)一个调制频率，方向保持不变，和‘0’级光出射方向保持一致，在光路上无法通过偏振态区分。±1级光所占的比例和电光调制器驱动24的微波功率有关。
本发明所述的偏振分光棱镜3、14和15使水平偏振态的激光全部透射，使垂直偏振态的激光全部反射，透射激光和反射激光的功率比值由1/2波片2、4、8和26的光轴与偏振分光棱镜的透光轴的夹角决定。
本发明所述的预处理电路18兼具下变频和a/d采样功能，对于高频信号，首先通过分频技术得到a/d转换器能够处理的中频信号，然后通过a/d转换电路将模拟信号转变为数字信号。
本发明所述的fpga控制电路19负责处理和提供相位抖动误差反馈信号，通过内部的信号处理，输出两路分别为低频和高频的数字反馈信号。
本发明提供一种基于双环路相位反馈的拉曼激光相位抖动反馈控制方法，具体为：稳频激光器1输出的激光首先通过第一1/2波片和第一偏振分光棱镜3分为两路，一路通过第二1/2波片和第二偏振分光棱镜14进入声光调制器9，另外一路通过45°反射镜5光路偏折90°，然后进入电光调制器6。声光调制器驱动22为声光调制器9提供合适的驱动频率和射频功率，产生所需要的‘-1级’衍射光。该衍射光经过平凸透镜10准直光路，然后通过1/4波片11和0°反射镜12的反射，再次通过声光调制器9，实现光路双通，但偏振态和入射光的偏振态相差90°。经过双通的激光经过第四1/2波片26和和第三偏振分光棱镜15，一小部分激光被反射进入起偏器16，大部分经过透射。电光调制器驱动24为电光调制器6提供合适的微波频率和功率，产生‘±1’级边带和‘0’级光。法布里-珀罗干涉仪7对电光调制器6输出的激光进行光学滤波，通过调节干涉仪控制器25的控制信号，可仅使‘-1’级边带光透过。第三1/2波片和第三偏振分光棱镜15配合，使得一小部分激光透射进入起偏器，大部分激光被反射进行输出。两束激光经过起偏器16后进行干涉，得到频率为6.834ghz的光学干涉信号。探测器17将该光信号转换为电信号，然后经过预处理电路18处理后，输入到fpga控制电路进行输出计算和处理。fpga控制电路19输出分为两路，其中一路为低频反馈信号，经过第二d/a转换器21后输入到pzt驱动23，另外一路为高频信号，经过第一d/a转换器20后输入到声光调制器驱动22。由于pzt13直接连接在0°反射镜12上，且只响应频率在khz以下的低频信号，因此可以用来调节声光调制器光路的光程差，补偿拉曼激光的低频大幅度相位抖动。对于高频相位抖动，直接通过调节声光调制器驱动22进行电路高速反馈。由于采用独立的反馈通道，可以对低频和高频反馈控制信号分别进行处理，因此在整个频率均可以得到更好的相位抖动抑制。
实施例1：
所述的稳频激光器1是带饱和吸收稳频光路的激光器；本实施例使用的是德国toptica公司的dl-pro可调谐半导体激光器。输出波长设置为780nm，激光线宽为100khz@50μs，激光输出功率为40mw，功率稳定性～0.1％@1h，频率稳定性～10-11@1s。
所述的1/2波片2、4、8和26是厚度为～0.5mm的石英晶体。本实施例使用的武汉优光科技公司的多级1/2波片，直径25.4mm。
所述的偏振分光棱镜3、14和15是边长为12.7mm的偏振分光棱镜，将水平偏振态的激光透射，将垂直偏振态的激光反射，透射激光和反射激光的功率比由1/2波片控制。本实施例采用的是武汉优光科技公司生产的k9材料的单波长偏振分束棱镜，四个方向均镀有780nm的增透膜，透射光的偏振消光比大于1000:1，反射光的偏振消光比大于100:1。
所述的45°反射镜5用于将正入射的激光偏转90°反射出去。本实施例采用的是武汉优光科技公司生产的k9材料的单波长反射镜，其中前表面镀780nm的45°高反膜，反射率高于99.5％，直径25.4mm，厚度6.35mm。
所述的电光调制器6对输入的激光进行调制，输出为‘-1’级光，‘0’级光和‘+1’级光，它可以通过输入微波功率控制‘0’级和‘±1’级的功率比；‘0’级和‘±1’级光方向相同，频率相差一个调制频率。本实施例采用的是美国newport公司生产的谐振型电光调制器eom(4851)，谐振频率7ghz，内部主要为4mm长的电光晶体，‘-1’级和‘+1’级调制效率最高为34％。在本例中，当微波功率为32dbm时，‘±1’级边带效率为11％。
所述的电光调制调制器驱动24用于为电光调制器提供合适的频率和功率；本实施例所用的成都西诺科技有限公司订制的频率源，输出频率为6.97ghz，微波功率最大输出为34dbm。
所述的法布里-珀罗干涉仪7用于滤除多余的频率成分以及实施功率反馈；本实施例采用的是加拿大bmvoptical公司的法布里-珀罗干涉仪，初始腔长20mm，精细度75，直径25.4mm，熔融石英材料，对应的自由光谱范围为5ghz。
所述的法布里-珀罗干涉仪驱动25控制法布里-珀罗干涉仪7的腔长，实现功率稳定；本实施例采用的是uniquanta公司提供的fpi控制器，电压噪声小于5mv。
所述的声光调制器9和声光调制器驱动22对入射激光进行调制；本实施例采用的是法国aa公司生产的声光调制器和驱动，其中声光调制器9中心频率为110mhz，调节范围为30mhz，当驱动22功率为31dbm时，‘±1’级单通衍射效率为86％，双通衍射效率为60％。
所述的平凸透镜10用于将声光调制器的光路9进行准直；本实施例采用的武汉优光科技有限公司生产的k9材料的平凸透镜，两面镀780nm增透膜，焦距为100mm，直径25.4mm。所述的1/4波片11用于将线偏振光转换为圆偏振光；本发明采用的是武汉优光科技有限公司生产的胶合零级波片，直径25.4mm，厚度1mm。所述的0°反射镜12用于将光路原路返回去；本发明采用的武汉优光科技有限公司生产的k9材料单波长反射镜，其中前表面镀780nm的0°高反膜，直径25.4mm，厚度6.35mm，反射率99.7％。
所述的起偏器16用于选择单一线偏振态的激光；本发明采用的是武汉优光科技有限公司生产的格兰-泰勒棱镜，直径25.4mm，长度21mm，通光口径12.7mm，消光比5×10-6。
所述的探测器17用于将光学拍频信号转换为电信号；本发明采用的是美国newport公司生产的光电探测器(1554-a)，光纤接口输入，工作波长范围550～1330nm，工作带宽为10khz～12ghz，转换增益-850v/w，最大输入光功率1mw，±15v供电。
所述的预处理电路18用于对探测器的输出信号进行下变频和数字采样；本发明采用的是分频器(fps-256-12)输入频率范围0.1～12ghz，分频比256倍，两端sma接口。数字采样功能采用ad公司的8位单芯片模数转换器ad9484，转换速率500msps,采用1.8v模拟电压供电，56引脚，工作范围-40～85℃。
所述的数模转换器20用于将待反馈的数字信号转换为模拟控制信号；本发明采用的是ad公司的16位数模转换器ad5732r，采用单电源供电，最大量程10.8v输出，24引脚，最高工作时钟30mhz。所述的fpga控制电路19用于处理相位抖动信号，并提供误差反馈信号；本发明例采用的是microsemi公司生产的igl002型fpga，150k个逻辑单元。
所述的pzt和pzt驱动用于调节拉曼激光的光程差；本发明采用的是淄博宇海电子陶瓷有限公司生产的pzt产品，直径28mm，最大响应频率1mhz。