一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统及其方法

本发明涉及冷原子技术、激光，具体涉及一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统及其方法。

背景技术：

1、磁光阱(mot)是一种冷却、陷俘原子的有效手段。经典的mot由反亥姆霍兹线圈产生的梯度磁场和三组互相垂直、具有特定偏振配置的对射激光构成。目前最常用的是红失谐mot(冷却光频率为负失谐，即，ωlaser-ωatom<0，ωlaser为激光角频率，ωatom为要锁定的原子跃迁谱线对应角频率)，其原子跃迁的总角动量量子数满足f'>f(f'与f分别对应激发态、基态时原子跃迁的总角动量量子数)的条件。红失谐mot所需激光配置简单、应用广泛，但是在原子温度较低的磁场零点区域，激光对原子的加热效应占主导，导致该方式的冷却效果有限，且制备的原子团密度较低；而蓝失谐mot(冷却光频率为正失谐，即，ωlaser-ωatom>0，f'≤f)可以实现更高的相空间密度，但是冷却、陷俘原子的有效区域较小，导致原子装载效率较低。综上，为了实现高效、高相空间密度的原子团制备，分阶段的双色磁光阱方案被提出。该方案首先利用红失谐mot对原子进行快速装载和预冷却，然后切换为蓝失谐mot进一步冷却原子，并提高其相空间密度。

2、现有技术中，实施双色磁光阱方案的激光系统较为复杂，需要产生包括红、蓝失谐mot需要的冷却光、再泵浦光、去泵浦光以及探测光等。此外还需要多台激光器和多台锥形放大器共同实现，综上，现有实现双色磁光阱的激光系统较为复杂，器件数量众多，成本较高，结构体积大，不利于工程化应用。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统及其方法。该激光系统包括2台激光器和1台锥形放大器，通过改变拍频锁定环路的参考频率和电光调制器eom的驱动频率来满足不同阶段对激光频率的需求；并通过调节电光调制器eom驱动功率来控制f＝2激光和f＝1激光的功率比。通过优化系统设计，在满足红、蓝失谐mot对激光频率和功率需求的同时减少器件数量，降低成本，提高系统紧凑性。

3、采用的技术方案如下：

4、一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，包括：

5、激光模块，包括主激光器和从激光器，用于产生待调制处理的主激光和从激光；

6、锁频调制模块，接收主激光器发出的主激光并进行分光和调制处理后，一路主激光通过激光锁频模块后得到反馈信号，然后主激光器根据反馈信号将输出的主激光频率锁定至铷原子特定跃迁谱线；另一路主激光经过进一步的分光和调制为双色磁光阱提供共振探测光以及为光学拍频锁定提供频准光；

7、拍频调制模块，接收从激光器发出的从激光并进行分光和调制处理后，一路从激光与所述频准光合束形成光学拍频，并基于对拍频光信号的处理实现从激光器与主激光器之间的拍频锁定；另一路从激光到达电光调制器，电光调制器对输入激光进行相位调制，其输出激光产生载波与边带，为双色磁光阱提供冷却光和再泵浦光。

8、进一步的，所述锁频调制模块还包括第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一声光调制器，主激光器输出的主激光通过第一半波片后到达第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜将输入激光分为第一透射激光和第一反射激光；所述第一反射激光进入第一声光调制器，第一声光调制器的+1级输出激光经过激光锁频模块后得到反馈信号，然后主激光器根据反馈信号将输出激光的频率锁定至铷原子特定跃迁谱线。

9、进一步的，所述锁频调制模块还包括第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第一光纤耦合器、光纤合束器；所述第一透射激光到达第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜将输入的第一透射激光分为第二透射激光和第二反射激光，其中，所述第二透射激光进入第二声光调制器，第二声光调制器的+1级输出的激光为双色磁光阱提供共振探测光；所述第二反射激光经过第一光纤耦合器后进入光纤合束器，为光学拍频锁定提供频准光。

10、进一步的，所述第一声光调制器与第二声光调制器的调制频率相同。

11、进一步的，所述拍频调制模块还包括第二半波片、第三偏振分光棱镜、第二光纤耦合器、高速光电探测器、信号发生器、鉴频鉴相器、pid反馈模块；从激光器输出的从激光通过第二半波片后到达第三偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜将输入激光分为第三透射激光和第三反射激光；其中，第三反射激光经过第二光纤耦合器后进入光纤合束器，与所述频准光合束形成光学拍频光；拍频光信号经过高速光电探测器后发生光电信号转换，然后高速光电探测器的输出信号与信号发生器提供的参考信号共同进入鉴频鉴相器；鉴频鉴相器输出的误差信号经过pid反馈模块后产生反馈信号，从激光器根据反馈信号实现与主激光器之间的拍频锁定。

12、进一步的，所述拍频调制模块还包括；锥形放大器、微波频率源、第三声光调制器；所述第三透射激光到达电光调制器，电光调制器由微波频率源的微波信号驱动，电光调制器对输入激光进行相位调制，其输出产生载波与边带，载波和+1阶边带间的频差由微波频率源的驱动频率决定；电光调制器输出激光进入锥形放大器放大，最后经过第三声光调制器，为双色磁光阱提供冷却光和再泵浦光。

13、一种用于铷原子双色磁光阱的方法，利用上述激光系统，双色磁光阱所需激光由从激光器经电光调制器产生的载波和+1阶边带提供，载波提供f＝2激光，+1阶边带提供f＝1激光；通过调节拍频锁定环路的参考频率可以改变f＝2激光的频率；通过调节电光调制器的驱动频率可以改变+1阶边带与载波间的频差，从而改变f＝1激光的频率。

14、进一步的，信号发生器产生的参考信号与拍频信号共同输入鉴频鉴相器，当两输入信号频率差异较大时，鉴频鉴相器将以鉴频功能工作；当两输入信号频率相同时，鉴频鉴相器将以鉴相功能工作，根据两输入信号的相位超前或滞后关系产生误差信号。

15、进一步的，在红失谐mot阶段，冷却光频率被锁定在87rb跃迁线f＝2→f'＝3负失谐处，再泵浦光频率被锁定在87rb跃迁线f＝1→f'＝2负失谐处，在红失谐mot阶段中，f＝2激光对应为冷却光，f＝1激光对应为再泵浦光。

16、进一步的，在蓝失谐mot阶段，f＝2激光频率需锁定在87rb跃迁线f＝2→f'＝2正失谐处，f＝1激光频率需锁定在87rb跃迁线f＝1→f'＝1正失谐处，在蓝失谐mot阶段中，f＝2与f＝1激光均为冷却光。

17、本发明的有益效果在于：

18、1.本发明的铷原子双色磁光阱的激光系统，所实现的光路简单，易于搭建，还可以为原子干涉仪提供拉曼激光，适用面较广，有利于工程化应用。

19、2.本发明的激光系统经过优化系统设计，在满足红、蓝失谐mot对激光频率和功率需求的同时减少器件数量，节省成本，提高系统紧凑性。

技术特征：

1.一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，所述锁频调制模块还包括第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一声光调制器，主激光器输出的主激光通过第一半波片后到达第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜将输入激光分为第一透射激光和第一反射激光；所述第一反射激光进入第一声光调制器，第一声光调制器的+1级输出激光经过激光锁频模块后得到反馈信号，然后主激光器根据反馈信号将输出激光的频率锁定至铷原子特定跃迁谱线。

3.根据权利要求2所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，所述锁频调制模块还包括第二偏振分光棱镜、第二声光调制器、第一光纤耦合器、光纤合束器；所述第一透射激光到达第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜将输入的第一透射激光分为第二透射激光和第二反射激光，其中，所述第二透射激光进入第二声光调制器，第二声光调制器的+1级输出的激光为双色磁光阱提供共振探测光；所述第二反射激光经过第一光纤耦合器后进入光纤合束器，为光学拍频锁定提供频准光。

4.根据权利要求3所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，所述第一声光调制器与第二声光调制器的调制频率相同。

5.根据权利要求4所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，所述拍频调制模块还包括第二半波片、第三偏振分光棱镜、第二光纤耦合器、高速光电探测器、信号发生器、鉴频鉴相器、pid反馈模块；从激光器输出的从激光通过第二半波片后到达第三偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜将输入激光分为第三透射激光和第三反射激光；其中，第三反射激光经过第二光纤耦合器后进入光纤合束器，与所述频准光合束形成光学拍频光；拍频光信号经过高速光电探测器后发生光电信号转换，然后高速光电探测器的输出信号与信号发生器提供的参考信号共同进入鉴频鉴相器；鉴频鉴相器输出的误差信号经过pid反馈模块后产生反馈信号，从激光器根据反馈信号实现与主激光器之间的拍频锁定。

6.根据权利要求5所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，所述拍频调制模块还包括电光调制器、锥形放大器、微波频率源、第三声光调制器；所述第三透射激光到达电光调制器，电光调制器由微波频率源的微波信号驱动，电光调制器对输入激光进行相位调制，其输出激光产生载波与边带，载波和+1阶边带间的频差由微波频率源的驱动频率决定；电光调制器输出激光进入锥形放大器放大，最后经过第三声光调制器，为双色磁光阱提供冷却光和再泵浦光。

7.一种用于铷原子双色磁光阱的方法，利用如权利要求1-6任一项所述的一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统，其特征在于，双色磁光阱所需激光由从激光器经电光调制器产生的载波和+1阶边带提供，载波提供f＝2激光，+1阶边带提供f＝1激光；通过调节信号发生器产生的的参考信号的频率可以改变f＝2激光的频率；通过调节电光调制器的驱动频率可以改变+1阶边带与载波间的频差，从而改变f＝1激光的频率。

8.根据权利要求7所述的一种用于铷原子双色磁光阱的方法，其特征在于，信号发生器产生的参考信号与拍频信号共同输入鉴频鉴相器，当两输入信号频率差异较大时，鉴频鉴相器将以鉴频功能工作；当两输入信号频率相同时，鉴频鉴相器将以鉴相功能工作，根据两输入信号的相位超前或滞后关系产生误差信号。

9.根据权利要求8所述的一种用于铷原子双色磁光阱的方法，其特征在于，在红失谐mot阶段，冷却光频率被锁定在87rb跃迁线f＝2→f'＝3负失谐处，再泵浦光频率被锁定在87rb跃迁线f＝1→f'＝2负失谐处，在红失谐mot阶段中，f＝2激光对应为冷却光，f＝1激光对应为再泵浦光。

10.根据权利要求8或9所述的一种用于铷原子双色磁光阱的方法，其特征在于，在蓝失谐mot阶段，f＝2激光频率需锁定在87rb跃迁线f＝2→f'＝2正失谐处，f＝1激光频率需锁定在87rb跃迁线f＝1→f'＝1正失谐处，在蓝失谐mot阶段中，f＝2与f＝1激光均为冷却光。

技术总结
本发明涉及一种用于铷原子双色磁光阱的激光系统及其方法，包括：激光模块，包括主激光器和从激光器；锁频调制模块，接收主激光器主激光并进行分光和调制处理后，一路主激光通过激光锁频模块后得到反馈信号，主激光器根据反馈信号将输出的主激光频率锁定至铷原子特定跃迁谱线；另一路主激光经过再分光和调制为双色磁光阱提供共振探测光以及为光学拍频锁定提供频准光；拍频调制模块，接收从激光器从激光并进行分光和调制处理后，一路从激光与所述频准光合束形成光学拍频，并实现与主激光器之间的拍频锁定；另一路从激光到达电光调制器，其输出激光被调制后产生载波与边带，为双色磁光阱提供冷却光和再泵浦光。本发明能够降低成本，提高系统紧凑性。

技术研发人员：李玮,徐小斌,韩睿,宋一桐,宋凝芳
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13