一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的制作方法

本公开涉及到激光频率控制技术领域，具体涉及一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统。

背景技术：

随着冷原子技术的不断发展成熟，其在精密测量领域的应用潜力越来越受到重视。其中基于冷原子干涉法的精密测量就是其中一个代表。冷原子干涉测量需要用到各种频率的激光用于实现诸如原子冷却囚禁，原子能态制备，拉曼干涉和原子荧光探测等。需要的激光一般包括冷却光、回泵光、拉曼光、探测光。对于全光型的冷原子干涉重力仪，还需要额外的态制备光和清除光并配合已有拉曼光、回泵光组合作用来代替射频微波源在原子态制备阶段所起的作用。为了获得这些激光，通常的激光方案需要用到3台以上的激光器，这不但增加了激光稳频锁相系统的复杂度，同时也使得光路系统过大，不利于小型化，抗干扰能力变差。与此同时，为了获得所需频率的激光，通常激光方案的光路系统中用到的移频器件的规格种类和数量也较多较杂，这即增加了移频器件驱动系统的复杂度，也增加了系统的不稳定性。这些不足和缺陷严重制约了冷原子干涉精密测量的实用化和工程化实现。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开的目的是提供一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统。该双激光器系统结构简单紧凑稳定、频率调节新颖灵活、便于小型化、工程化和产品化。

(二)技术方案

本公开提供了一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统，包括：主激光器、主激光器稳频模块、第一分束模块和第一移频分束单元，用于提供回泵光和拉曼主激光；从激光器、从激光器锁相稳频模块、第二分束模块、激光放大器、第二移频分束单元，用于提供拉曼从激光、以及冷却光、探测光、清除光、态制备光；拉曼主激光和拉曼从激光先经拉曼合束单元合束，一部分合束后的激光进入从激光器锁相稳频模块的光电探测器作拍频，用于从激光器的锁相；另一部分合束后的激光进入拉曼光移频单元负向移频产生测量所需拉曼激光。

在本公开的一些实施例中，主激光器输出的激光经第一分束模块分为三路；第一路激光经主激光器稳频模块对主激光器进行稳频；第二路激光直接经过第一移频分束模块获得回泵光；第三路激光输入拉曼激光合束单元。

在本公开的一些实施例中，从激光器输出的激光经第二分束模块分为第四路激光和第五路激光；第四路激光输入拉曼激光合束单元，与主激光器分出的第三路激光先合束再分束为第六路激光和第七路激光；第六路激光作为拍频光信号进入从激光器锁相稳频模块；第七路激光经拉曼光移频单元，得到拉曼激光；第五路激光作为种子光进入激光放大器放大后进入第二移频分束单元，获得冷却光、探测光、态制备光和清除光。

在本公开的一些实施例中，第五路激光经激光放大器放大后进入第二移频分束单元，经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为第八路激光和第九路激光；第八路激光经λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜后经过第一声光调制器，再经1/4波片后由反射镜反射，反射的激光经1/4波片、第一声光调制器、偏振分光棱镜后得到冷却光；第九路激光经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为第十路激光和第十一路激光；第十路激光经反射镜、偏振分光棱镜后经过第二声光调制器，接着经1/4波片由反射镜反射，反射后的激光经1/4波片、第二声光调制器、偏振分光棱镜、第三声光调制器、λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜分为两路，一路激光作为清除光，另一路激光经反射镜作为探测光；第十一路激光经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为第十二路激光和第十三路激光；第十三路激光传输至光挡；第十二路激光经λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜后经过第四声光调制器，再经1/4波片由反射镜反射，反射后的激光经1/4波片、第四声光调制器、偏振分光棱镜，得到态制备光。

在本公开的一些实施例中，在原子态制备阶段，从激光器的输出激光频率为拉曼从激光所需频率，而原子态制备阶段的清除光和态制备光通过声光调制器移频获得。

在本公开的一些实施例中，主激光器稳频模块包括第五声光调制器和调制转移光谱光路；第一路激光经过第五声光调制器正向移频，正向移频后的激光经偏振分光棱镜分为两路，一路激光为探测光，另一路激光作为泵浦光进入电光调制器EOM获得调制；获得调制的泵浦光与对打的探测光在铷泡中重合并发生四波混频作用后将调制转移给探测光，获得调制转移的探测光进入光电探测器，光电探测器信号经解调后获得锁频误差信号；在铷泡上，沿探测光偏振方向加偏置磁场，使得锁频误差信号得到优化，可以更稳定地锁定主激光器。

在本公开的一些实施例中，第六路激光进入光电探测器，光电探测器的拍频电信号经过低相噪微波放大器放大后与低相噪微波源输出的微波信号f1在混频器中进行混频，混频后的信号进入锁相模块的信号输入端口，低相位噪声信号源输出信号f2作用到锁相模块的外部参考信号输入端口，锁相模块的锁相输出信号作用到从激光器电流调制端口进行锁相。

在本公开的一些实施例中，在整个测量时序中，通过改变低相噪微波信号源的输出频率f1，或通过改变锁相模块外部参考信号输入频率f2来实现从激光器在冷却光和拉曼从激光两种工作频率的切换；原子冷却阶段的扫频和拉曼干涉阶段为了补偿多普勒效应引入的扫频通过改变f1或f2来实现。

在本公开的一些实施例中，拉曼光移频单元包含第六声光调制器，用于拉曼激光负向移频；第一移频分束单元包含第七声光调制器，用于第二路激光的正向移频。

在本公开的一些实施例中，第一声光调制器、第二声光调制器、第三声光调制器、第四声光调制器、第六声光调制器、第七声光调制器的驱动频率相同。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

该双激光器系统结构简单紧凑稳定、频率调节新颖灵活、便于小型化、工程化和产品化，特别适合为基于冷原子干涉测量的绝对重力仪、梯度仪、陀螺仪等提供激光解决方案。与此同时，该双激光器系统所提供的激光种类齐全，是一种全光型的双激光器系统，从而避免了微波天线在态制备阶段的使用。不但简化了装置，也使得干涉仪真空腔态制备部分的结构得到简化，体积得以减小，便于真空装置的小型化。

附图说明

图1为本公开实施例适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的组成示意图。

图2为本公开实施例适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的从激光锁相稳频模块的示意图。

图3为本公开实施例适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的主激光器稳频模块光路的示意图。

图4为本公开实施例适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的第二移频分束单元的光路结构示意图。

图5 ⁸⁷Rb原子D2谱线及各激光跃迁频率示意图。

图6为本公开实施例适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统的一种从激光器频率控制方案示意图。

【符号说明】

1-主激光器；2-从激光器；3-主激光器稳频模块；4-从激光器锁相稳频模块；5-第一分束模块；6-拉曼激光合束单元；7-第二分束模块；8-激光放大器；9-第一移频分束单元；10-拉曼光移频单元；11-第二移频分束单元；12-光电探测器；13-低相噪微波放大器；14-混频器；15-锁相模块；16-低相噪微波源；17-低相位噪声信号源。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的方式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

由于铷源本身比较容易获取，同时操控铷原子的激光技术发展比较成熟。故下述实施例针对的是87Rb原子的D2超精细跃迁结构，但本公开并不限于此，其不应对本公开的保护范围造成限制。

如图1所示，本公开实施例提供了一种适用于冷原子干涉精密测量的双激光器系统，包括：

主激光器1、主激光器稳频模块3、第一分束模块5和第一移频分束单元9，用于提供回泵光和拉曼主激光；

从激光器2、从激光器锁相稳频模块4、第二分束模块7、激光放大器8、第二移频分束单元11，用于提供拉曼从激光、以及测量所需的冷却光、探测光、清除光及态制备光。

拉曼主激光和拉曼从激光先经拉曼合束单元合束，一部分合束后的激光进入光电管作拍频，用于从激光器锁相；另一部分进入拉曼光移频单元负向移频产生测量所需拉曼激光。

主激光器1输出的激光经第一分束模块5分为三路，其中一路激光经主激光器稳频模块3对主激光器1进行稳频。另一路激光直接经过第一移频分束模块9，往返通过第一移频分束模块9中的声光调制器正向移频533.3MHz，获得所需的回泵光。第三路激光进入拉曼激光合束单元6，与从激光器2输出的一部分激光在拉曼激光合束单元6中先进行合束，一部分合束后的激光用来作为拍频光信号进入从激光器锁相稳频模块4中的光电探测器12，另一部分合束后的激光进入拉曼光移频单元10中，经过声光调制器AOM共同负向移频合适频率后得到实验所需的拉曼(Raman)激光。

从激光器2发出的激光经过第二分束模块7分为两束。一束输入拉曼激光合束单元6，与主激光器1分出的一路光在合束单元6中合束，合束后的激光分为两部分：一部分用作产生锁相拍频光信号，另一部分进入拉曼激光移频单元移频获得拉曼激光。另一束作为种子光进入激光放大器8放大后进入第二移频分束单元11，获得冷原子干涉精密测量所需的冷却光、探测光、态制备光和清除光。

如图4所示，本申请根据87Rb原子的D2跃迁结构，就第二移频分束单元11，提供了一种可行的光路结构。激光放大器8的输出激光进入第二移频分束单元11后，经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为两路。其中一路激光经λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜后经过声光调制器AOM1，再经1/4波片后由反射镜反射，反射后的光经1/4波片、声光调制器AOM1、偏振分光棱镜后得到冷却光。该路激光往返两次通过声光调制器AOM1，正向移频2*266.65MHz＝533.3MHz得到冷却光。

另一路激光经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为两路。其中一路激光经反射镜、偏振分光棱镜后经过声光调制器AOM2，正向移频266.65MHz，接着经1/4波片由反射镜反射，反射后的光经1/4波片、声光调制器AOM2再正向频移266.65MHz，再经偏振分光棱镜，后经声光调制器AOM3再正向移频266.65MHz，之后经λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜分为两路，一路作为清除光，另一路经反射镜作为探测光。该路激光往返两次通过声光调制器AOM2正向移频533.3MHz后，又经声光调制器AOM3正向移频266.65MHz，AOM2和AOM3共同作用将激光正向移频533.3MHz+266.65MHz＝799.9565MHz。从而获得探测光和清除光。本实施例在实际使用中AOM2常开，AOM3控制探测光和清除光的开关。在本实施例中，还可以构建适当的反馈环来稳定探测光光强。具体来说，激光经声光调制器AOM2衍射后分出一部分光给光电探测器监控，监控得到的光强信号经PID反馈给声光调制器AOM2的驱动器，形成一个反馈闭环，从而可以用来稳定探测光的光强。而探测光和清除光之所以可以使用同一个AOM3去开关，是因为它们在真空系统上的作用空间通常是独立的，互不影响。

另一路激光经λ/2波片、偏振分光棱镜后分为两路，其中一路传输至光挡，另一路经λ/2波片、反射镜、偏振分光棱镜后经过声光调制器AOM4，再经1/4波片由反射镜反射，反射后的光经1/4波片、声光调制器AOM4、偏振分光棱镜，得到态制备光。该路激光往返两次通过声光调制器AOM4，正向移频533.3MHz获得跃迁频率对应F＝2到F’＝2的态制备光。

由于本申请的激光系统是全光型激光系统，态制备阶段需要在很短时间内用到回泵光、态制备光、清除光和拉曼光。而清除光和从拉曼激光存在较大频率差，且都由从激光器2提供，实际使用中不便于直接通过控制从激光器2的输出频率在两种激光频率之间快速切换来获得。本实施例中，在原子态制备阶段将从激光器2的输出激光频率设为从拉曼激光所需频率，而此时的清除光和态制备光主要通过声光调制器移频获得。这种方式的另一个依据是考虑到相对拉曼激光，态制备光和清除光以及后续的探测光所需激光功率很小，这样就减少了因声光调制器移频衍射效率限制所造成的激光功率浪费。

如图3所示，为主激光器稳频模块3的光路示意图，其包含一个前级正向移频的声光调制器AOM和调制转移光谱光路，调制转移光谱光路包括：反射镜、λ/2波片、偏振分光棱镜、电光调制器EOM、铷泡、偏置磁场线圈。在调制转移光谱中，加在铷泡上的偏置磁场方向与探测光的偏振方向相同。第一分束模块5中的一路光进入主激光器稳频模块3后，先经过声光调制器AOM正向移频，移频后的激光依次经过两个反射镜、λ/2波片、由偏振分光棱镜分为两路。一路激光为探测光，另一路激光作为泵浦光进入电光调制器EOM获得调制。获得调制的泵浦光依次经过两个反射镜、偏振分光棱镜后进入铷泡。探测光经反射镜后也进入铷泡并于泵浦光重合。在铷泡中经过四波混频将泵浦光的调制转移给探测光。获得调制转移的探测光经偏振分光棱镜反射进入光电探测器PD，光电探测器PD的信号经解调后获得误差信号。误差信号经PID单元后输出的快反馈信号作用到主激光器1的电流调制端口进行稳频；PID中的慢反馈信号作用到主激光器1的温控或压电陶瓷控制端口，以便主激光器1可以更稳定的锁频。

如图3所示，经过声光调制器AOM正向移频主要出于增加主拉曼激光失谐的考虑。至于正向移频值的选取原则上不对该激光系统造成限制，可以根据测量需求适当更改。对于87Rb原子的D2跃迁结构，本实施例选取正向移频值为304.06MHz，这样结合第一移频分束单元9、和第二移频分束单元11的光路结构，可以将激光系统中剩余6个声光调制器(第二移频分束单元11的AOM1至AOM4，第一移频分束单元9和拉曼光移频单元10各包括一个AOM)的驱动频率都选为F’＝2到F’＝3之间的能级差266.65MHz。这样既统一了声光调制器的规格，也简化了声光驱动系统。同时也降低了成本，也便于后期维护。

对于87Rb原子的D2跃迁结构，由于对应F＝1-＞F’的各能级跃迁，通常方法获得的调制转移光谱信号普遍较弱，达不到稳定锁频的需求。为此，本申请在调制转移光谱光路中，对铷泡沿探测光偏振方向设置了一个偏置磁场线圈，提供适当强度的偏置磁场，这样可以使得对应F＝1-＞F’＝0跃迁的调制转移光谱信号得到很大增强，而对应其他能级跃迁的调制转移光谱信号或得到抑制或增强不明显，进而获得信噪比很好的调制转移光谱信号。这样得到优化后的对应F＝1-＞F’＝0跃迁的调制转移光谱信号可以很好地作为主激光器1的稳频信号。此后冷原子干涉精密测量的整个时序中主激光器1被锁定在原子的跃迁线上。而测量所需的回泵光主要通过第一移频分束模块9中的声光调制器正向移频533.3MHz获得。这样主激光器1的输出激光频率无需在回泵光和主拉曼光之间切换，从而增加了系统的稳定性。

参见图2，从激光锁相稳频模块4包括光电探测器12、低相噪微波放大器13、混频器14、低相噪微波源16、锁相模块15和低相位噪声信号源DDS17。拉曼激光合束单元6中的一部分合束激光作为拍频光信号进入光电探测器12，光电探测器12的拍频电信号经过低相噪微波放大器13放大后与低相噪微波源16输出的微波信号在混频器14中进行混频，获得一个频率较小的信号并进入锁相模块15的输入端口。低相位噪声信号源DDS17作用到锁相模块15的外部参考信号输入端口。锁相模块15的输出信号作用到从激光器的电流调制端口进行锁相。

在整个测量时序中，通过改变低相噪微波信号源16的输出频率f1，或通过改变锁相模块15外部参考信号输入频率f2(由信号源DDS17提供)来实现从激光器在冷却光和拉曼从激光两种工作频率的切换；原子冷却阶段的扫频和拉曼干涉阶段为了补偿多普勒效应引入的扫频也可以通过改变f1或f2来实现。

本申请针对87Rb原子的D2跃迁结构提供了一种从激光器2的频率控制方式。如图6所示，在整个测量时序中，低相噪微波源16的频率设为f1且固定不变。结合第二移频分束单元11的结构，在整个测量时序中的态制备、拉曼干涉和荧光探测阶段，从激光器2都工作在拉曼从激光所需频率。故在这三个阶段，低相位噪声信号源DDS17的输入频率设为f2＝Δ1，2-f1，其中，f1的取值要满足：使Δ1，2-f1在低相位噪声信号源DDS17的输出频率范围内，Δ1，2为拉曼主激光和拉曼从激光之间的频率差。在拉曼干涉阶段，需要扫描f2的值以补偿多普勒频移，因扫频范围较小，在图6中未作体现。而在原子的冷却囚禁阶段，考虑到第二移频分束单元11中的冷却光已经正向移频2*266.65MHz＝533.3MHz，故在原子的冷却囚禁阶段，为了获得所需频率的冷却光，锁相模块15的外部参考信号起始频率值(即低相位噪声信号源DDS17的输出信号的起始频率值)设为(6834.682610MHz-f1-266.65MHz+3Γ)，其中Γ为Rb原子D2跃迁的自然线宽。然后经历扫频冷却，扫频范围取值F。实际测量中，精细的起始频率和扫频范围可通过优化原子冷却温度等参量确定。这里f1是固定的，所有的频率调节功能都是通过改变锁相模块外部参考信号源DDS17的输出频率f2实现。做这种选择的原因是因为市场上，具有吩咐调制功能的低相噪微波信号源是很难买到的，即便可以买到，价格也很昂贵，信号源的体积一般电过大，不利于小型化。所以这里我们将调制功能剥离出来，改由信号源DDS17提供。

拉曼光移频单元10包含一个声光调制器，用于拉曼激光负向移频，增加拉曼光相对F’＝1的失谐量。

第一移频分束单元9包含一个声光调制器，由第一分束单元5传输的激光经过第一移频分束单元9中的声光调制器，正向移频得到实验所需的回泵光。

移频分束单元9提供回泵光，移频分束单元10提供拉曼光，移频分束单元11提供冷却光，探测光，清除光和态制备光。这样就获得了原子干涉精密测量全光型激光系统所需的全部频率的激光。在原子的态制备阶段，在拉曼激光、态制备光、回泵光、清除光的组合作用下可以将原子能态制备到原子干涉精密测量仪器所需的起始纯态，而传统的微波天线装置在原子初态制备阶段就不再需要。从而实现了全光型的原子干涉精密测量双激光器系统。这样不仅节省了微波信号源和微波放大器，也使得干涉仪真空腔态制备部分的结构得到简化，体积得以减小，便于真空装置的小型化。

本公开的双激光器系统，主激光器稳频模块3中采用了一个前级声光调制器用于正向移频，这样既可以增加拉曼主激光的失谐，还可以统一声光调制器规格，简化声光调制器驱动信号源的种类和数量。本申请的激光光路系统中除了主激光器稳频模块3中的声光调制器AOM以外，还需要用到6个声光调制器。其中，第一移频分束单元9中含有一个AOM，拉曼光移频单元10中含有一个AOM，第二移频分束单元11中含有4个声光调制器。当将主激光器稳频模块3中的AOM正向移频设为合适值时，可以将剩余6个声光调制器的驱动频率尽可能的统一，达到简化声光驱动系统的目的。对于87Rb原子D2跃迁的超精细结构，考虑到对应F’＝2＜-＞F’＝3之间的能级间隔为266.65MHz，此也为态制备光和探测光之间的频率差，这样凭借本申请各模块的光路结构和对从激光器锁相稳频模块4中锁相信号的设置，可以将光路中剩余的6个AOM的驱动频率都设为266.65MHz，而此时主激光器稳频模块3中的前级声光调制器移频值可以据此推算设为304.06MHz。这就大大简化了声光调制器的驱动信号源的种类和数量，同时也统一了声光调制器的规格。这种结构不但降低了系统成本，同时也方便了后期的维护。在这种移频方案下，拉曼光的虚能级|i＞相对F’＝1的失谐量约为643MHz，可以满足实际需求。

本申请的双激光器系统，拉曼激光所需的拉曼主激光和拉曼从激光由主激光器1和从激光器2直接输出激光并合束获得。干涉仪的拉曼激光需要先用光纤收集起来，通过光纤跳线将激光引到真空探头上的拉曼激光扩束器上扩束后使用。本申请的方案由激光器到真空探头拉曼激光扩束端，拉曼激光只经历了一个声光调制器移频和一次光纤耦合，这样不仅增加了拉曼激光的稳定性，也减少了对激光功率的损耗，降低了对主激光器1和从激光器2的输出激光功率的要求。同时，在本申请中，拉曼激光的失谐不是特别大，这样也降低了对激光器输出功率的要求。本申请的双激光器系统只需要两台百毫瓦级激光器和一台激光放大器即可满足实际需求。

在其他示例中，激光放大器8还可位于从激光器2与第二分束模块7之间。如果从激光器2本身输出激光功率足够大的话，系统中的激光放大器8可以省去。这样两台激光器即可满足要求。相较现有的三激光器方案或双激光器加双激光放大器方案，所需的激光器以及随之增加的锁频锁相单元或激光放大器更少，系统结构更加简单稳定，从成本上考虑也更加经济。这样的结构由于避免了激光放大器输出激光功率波动和多次光纤耦合带来的拉曼激光功率波动问题，从而无需额外的拉曼激光功率稳定单元，使得系统进一步简化。

本申请的双激光器系统，第一移频分束单元9、拉曼光移频单元10、第二移频分束单元11用于获得测量所需的各种频率的激光。为了实际应用而对已获得的各种频率的激光的再分束的结构应在本公开所涵盖范围内。

本申请的双激光器系统，在图3中，以光路所在平面为参考水平面。这时，由偏振分光棱镜特性知：探测光为线偏振光，偏振方向为竖直偏振，垂直于参考水平面；泵浦光为水平线偏振光，偏振方向沿参考水平面。经测试，在这种简单的光路结构下，沿探测光偏振方向加偏置磁场是最好的选择。实际上只要磁场方向垂直于光束传播方向，通过给探测光和泵浦光选取合适的光偏振组合，在适当强度磁场下，都可以或多或少改善光谱信号。通过在光束垂直方向引入磁场来改善调制转移光谱信号的方法是我们首次发明的。其他通过采用不同光偏振组合，但方法本质还是通过引入磁场改善调制转移光谱信号的方法应被视作在本公开的保护范围。

本申请的双激光器系统适用范围不应受所用原子的限制。由于冷原子干涉测量中，铷原子相较其他原子的实用较普遍。这主要得益于铷源本身比较容易获取，同时操控铷原子的激光技术发展比较成熟。故上述双激光器系统在频率锁定和移频等操作中，针对的是87Rb原子的D2超精细跃迁结构，图5显示了⁸⁷Rb原子D2谱线及各激光跃迁频率。但这不应对本公开的保护范围造成限制。对于使用了其他原子，但在系统结构组成，激光器锁频锁相方案，声光调制移频驱动方案等方面相似或相同，应被视作本公开的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。