一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，属 于原子干涉仪技术领域。
【背景技术】
[0002] 原子干涉仪是基于物质波干涉原理，利用激光对冷原子束进行分束、反射、合束从 而实现原子的干涉。原子干涉仪可以精密测量物理常数，检验量子力学和广义相对论等基 本物理理论。由于原子具有质量，原子干涉仪还可以作为灵敏的惯性传感器，可精确测量重 力加速度、角速度等，从而在导航、探矿、地震预报、环境监察方面有重要应用。
[0003] 通常使用拉曼激光对原子束进行分束、反射以及合束。拉曼激光是两束具有固定 频率差和相位差的激光。可以使用一个激光器产生激光，然后将其分为两束，在各自的路径 上使用声光调制器和电光调制器对激光进行移频，获得具有固定频差的拉曼激光。这两束 激光之间的相位差是否恒定对原子干涉仪的测量精度有很大的影响，因此降低拉曼激光系 统的相位噪声尤为重要。
[0004] 光路中光学器件振动引起的相位噪声对拉曼激光系统的相位噪声有着一定的影 响，为尽可能地降低拉曼激光系统的相位噪声，传统的方法是将激光系统进行被动隔振或 利用加速度计测出振动噪声，最后在测量时进行补偿，显然上述补偿方法比较复杂，而且还 需要额外的器件辅助测量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位 噪声自动补偿装置及方法，可以用于拉曼激光系统中相位差的检测、调节和补偿。
[0006]-种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束 器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪 声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器；
[0007] 激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相 连，分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调 制器的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成 透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端 相连，起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输 入端相连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤 波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出 信号进入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输 入端相连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相 连。
[0008] -种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，激光光源输出的激光 经过分束器分为两束激光，一束激光通过电光调制器移频，另一束激光通过声光调制器移 频，移频后的两束激光经过合束器合成拉曼激光，在拉曼激光的输出端安装一个半透半反 镜，获取小部分激光作为反馈系统的输入，该拉曼激光信号的形式如下：
[0009] I (t) = I〇[l+cos (2 31 ft+L(t) + s (t)) ] (1.1)
[0010] 其中：IQ为光电流的幅值，f = 6. 834GHz，为两束激光的频率差，（K⑴为光路的 相位噪声，s(t)为微波源的相位噪声；
[0011] 为了提取两束激光的相位差，首先需要对拉曼激光进行相位方波调制，调制使得 两束激光的相位差为
【主权项】
1. 一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束器、 电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微 波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器； 激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相连， 分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调制器 的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成透射 激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端相连， 起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相 连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤波器的 输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出信号进 入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输入端相 连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相连。
2. -种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，具体为：激光光源输出 的激光经过分束器分为两束激光，一束激光通过电光调制器移频，另一束激光通过声光调 制器移频，移频后的两束激光经过合束器合成拉曼激光，在拉曼激光系统的输出端设有半 透半反镜，获取部分拉曼激光作为闭环反馈系统的输入，拉曼激光信号为： I (t) = I0 [1+cos (2 π ft+Φ L(t) + Φ s (t)) ] (I. I)
其中为光电流的幅值，f = 6. 834GHz，为两束激光的频率差，Φ Jt)为光路的相位 噪声，Φ；；(?)为微波源的相位噪声； 首先对拉曼激光进行相位方波调制，调制使得两束激光的相位差为 ，然后对 调制后的激光进行起偏，起偏后的光信号进入探测器，探测器将光信号转换为微波信号，忽 略光频项，被测微波信号为： U (t) = U0Cos (2 π f t+ Φ L (t) + Φ s (t) + Φ M (t)) (1. 2) 其中=Utl为电压幅值，f = 6. 834GHz，为两束激光的频率差，Φ Jt)为光路的相位噪声， Φ3α)为微波源的相位噪声，ΦΜα)为调制信号，调制信号为：
其中：T为调制信号的周期； 引入参考微波信号，通过混频器将被测微波信号进行下变频，参考微波信号与被测微 波信号由同一个微波源产生，忽略参考微波信号和被测微波信号之间的时间延迟，参考微 波信号为： Ue (t) = UeCOS [2 31 ft+Φ s (t) ] (1. 4) 其中：υκ为电压幅值，f = 6. 834GHz，为参考微波信号的频率，Φ s(t)为微波源的相位 噪声； 被测微波信号经过下变频之后，经过低通滤波器进行滤波，由（1. 2)和（1. 4)得到被测 微波信号滤波后形式为：
已知ΦΜα)戈
，被测微波信号简化为：
因为φjt)为微弱的缓慢变化的信号，则被测微波信号简化为：
利用模数转换器将^K(t)转换为数字信号，通过FPGA对被测微波信号进行处理，再 利用数模转换器将其转换为模拟电压信号，利用低频放大器对被测微波信号的功率进行放 大，经过功率放大的模拟信号作为移相器的输入以控制移相器输出与之对应的相位信号， 该相位信号作为反馈信号通过声光调制器耦合进入光路，得到经过闭环反馈的拉曼激光信 号的形式为： I (t) = I〇[l+cos(2 Ji Γ?+Φ3(?))] (1.8)。
【专利摘要】本发明公开了一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，装置包括激光光源、分束器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器和移相器；本发明实现了拉曼激光系统中相位差的自动调节和补偿，降低了拉曼激光系统光路振动引起的相位噪声。本发明通过采用电路控制方式，实现了控制系统的集成化、模块化和易于调试等优点。
【IPC分类】H01S3-30
【公开号】CN104682187
【申请号】CN201510103631
【发明人】潘雄, 徐小斌, 王莹莹, 宋凝芳, 李玮, 路想想, 贾瑞鹏
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月9日