一种铷原子干涉仪激光系统

技术领域

本发明涉及一种铷原子干涉仪激光系统，属于冷原子干涉领域。

背景技术

冷原子干涉仪利用激光操纵碱金属原子，实现原子的冷却、囚禁与干涉，激光系统是实现原子干涉的重要基础之一。

目前铷原子干涉仪常用激光系统主要有两种：第一种是空间光激光系统，利用分布式反馈激光器、分布式布拉格反射激光器、外腔可调谐激光器或1560nm光纤激光器倍频得到铷原子D2线对应的780nm激光，然后由包括波片、反射镜、偏振分光棱镜(Polarizingbeam splitter，PBS)、空间声光调制器(Acousto-optic modulation，AOM)、光纤耦合器的光学器件实现激光的移频、开关以及分光，原子干涉仪需要用到包括冷却光、探测光、回泵光、吹走光、拉曼光在内的多种频率的激光，空间光路的体积大、光功率损耗高、环境适应性低；第二种是全光纤激光系统，利用商用化通信波段光器件，如1560nm波段种子源、电光调制器、掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，EDFA)，光纤AOM、周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)，除激光稳频模块之外，全光纤激光系统均由光纤器件构成，具有环境适应性强的特点，但是电光调制器(Electro-Optic Modulator，EOM)在调制时会产生多组边带，受激拉曼跃迁过程同时存在多对拉曼光与原子作用，引入系统误差，尽管利用IQ调制器和光纤光栅(FBG)能够抑制多余的边带，但是抑制比低，且IQ调制器需要三个偏置电压控制载波与边带比，容易引入载波边带比的变化。

基于原子干涉技术的各种精密测量装置，如重力仪、重力梯度仪以及陀螺仪都具有极高测量精度，正从实验研究向工程化应用方向快速发展，应用前景广阔，因此迫切需要一种线宽低、功率大、环境实用性强的激光系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铷原子干涉仪激光系统，利用电光调制器对激光进行频率调制产生拉曼光和回泵光，利用光纤AOM、光纤环形器和光纤回射器实现拉曼光大失谐，拉曼光光路上的两个AOM的调制频率存在一定频差，由拉曼光光路上的两个EOM其中之一的载波和另一个的边带分别作为两束拉曼光，光纤高速光电探测器探测拍频信号，实现两束拉曼光之间的相位锁定，同时避免多余的边带与原子发生受激拉曼跃迁。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种铷原子干涉仪激光系统，包括：激光种子源模块、冷却光模块、稳频模块、拉曼光大失谐模块、拉曼光模块以及拍频锁相模块；

所述激光种子源模块包括：激光种子源、光纤隔离器以及第一光纤耦合器；

所述冷却光模块包括：第一光纤EOM、第一EDFA、第一PPLN、第二光纤耦合器以及第一光纤AOM；

所述稳频模块包括：第三光纤耦合器、第二光纤EOM、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一偏振片、第一半波片、第一PBS、第二半波片、第一反射镜、第二反射镜、铷泡、第二PBS、第一空间光电探测器、第二偏振片、第三半波片以及第二空间光电探测器；

所述拉曼光大失谐模块包括：光纤环形器、第二光纤AOM以及光纤回射器；

所述拉曼光模块包括：第二EDFA、第四光纤耦合器、第三光纤EOM、第四光纤EOM、第三光纤AOM、第四光纤AOM、第三EDFA、第四EDFA、第二PPLN、第三PPLN、光纤偏振合束器以及第五光纤AOM；

所述拍频锁相模块包括：光纤高速光电探测器、前级低噪声放大器、603鉴频鉴相器、滤波器、后级低噪声放大器以及PID模块；

所述的激光种子源模块由光纤DFB或光纤ECDL提供所述激光种子源，依次经过所述光纤隔离器以及所述第一光纤耦合器，输出激光分成两路输出；

所述第一光纤耦合器的一路输出与所述冷却光模块的输入连接，依次通过所述第一光纤EOM、所述第一EDFA、所述第一PPLN以及所述第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器的一路输出与所述第一光纤AOM的输入连接，所述第一光纤AOM的输出作为冷却光、探测光以及回泵光；

所述第一光纤EOM加调制时的载波和正一级边带分别作为干涉仪的冷却光和回泵光，所述第一光纤EOM未加调制时输出作为探测光，所述第一光纤AOM作为光开关；

所述第二光纤耦合器的另外一路输出与所述稳频模块的所述第三光纤耦合器的输入连接，所述第三光纤耦合器的第一个输出端与所述第二光纤EOM的输入连接，所述第三光纤耦合器的第二个输出端和所述第二光纤EOM的输出端分别由所述第一光纤准直器和所述第二光纤准直器实现激光扩束与准直；经过所述第一光纤准直器扩束准直后的激光依次通过所述第一偏振片、所述第一半波片、所述第一PBS、所述第二半波片、所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述铷泡以及所述第二PBS，由所述第一空间光电探测器探测；经过所述第二光纤准直器扩束准直后的激光依次通过所述第二偏振片、所述第三半波片、所述第二PBS、所述铷泡、所述第二反射镜、所述第一反射镜、所述第二半波片以及所述第一PBS，由所述第二空间光电探测器探测；所述第一空间光电探测器的信号用于调制转移稳频，所述第二空间光电探测器的信号用于观测饱和吸收信号或波长调制转移稳频；

所述稳频模块能够锁定所述第一光纤EOM的边带对应的波长，通过改变所述第一光纤EOM驱动频率实现激光器输出频率的调频；

所述第一光纤耦合器的另外一路输出与所述拉曼光大失谐模块的输入相连，依次通过所述光纤环形器、所述第二光纤AOM、所述光纤回射器、所述第二光纤AOM以及所述光纤环形器；

所述拉曼光大失谐模块利用光纤AOM双通模式实现拉曼光大的失谐，经倍频后失谐是光纤AOM驱动频率的四倍；

所述光纤环形器的输出与所述拉曼光模块的输入连接，依次通过所述第二EDFA以及所述第四光纤耦合器，所述第四光纤耦合器的一路输出依次通过所述第三光纤EOM、所述第三光纤AOM、所述第三EDFA、所述第二PPLN，所述第四光纤耦合器的另一路输出依次通过所述第四光纤EOM、所述第四光纤AOM、所述第四EDFA、所述第三PPLN，所述第二PPLN以及所述第三PPLN的输出分别与所述光纤偏振合束器的两个输入端连接，所述光纤偏振合束器功率较高的一路输出与所述第五光纤AOM连接，作为拉曼光，所述第二EDFA起光功率预放大功能，所述第三光纤EOM的载波和所述第四光纤EOM的正一级边带分别作为两束拉曼光，所述第三光纤AOM与所述第四光纤AOM的驱动频率不同，以避免所述第四光纤EOM的多阶边带与原子共振，所述第三光纤AOM与所述第四光纤AOM的驱动频率通过扫频补偿原子的多普勒失谐，所述第三EDFA与所述第四EDFA在所述第三光纤AOM与所述第四光纤AOM的扫频过程中因所述第二EDFA的预防大能够始终保持在饱和状态，所述光纤偏振合束器实现拉曼光合束，所述第五光纤AOM实现拉曼光的开关；

所述光纤偏振合束器的另外一路输出与所述拍频锁相模块的输入连接，由所述光纤高速光电探测器将光拍频信号转为电信号，通过所述前级低噪声放大器进行放大，与参考信号在所述鉴频鉴相器中鉴频鉴相，鉴频鉴相的误差信号依次通过所述滤波器、所述后级低噪声放大器以及所述PID模块，所述PID模块输出的反馈信号反馈给所述第四光纤EOM，实现激光相位锁定。

有益效果：

1、本发明公开的一种铷原子干涉仪激光系统，利用电光调制器对激光进行频率调制产生拉曼光和回泵光，回泵光能够通过第一光纤EOM或第三光纤EOM调制产生，第一光纤EOM在偏振梯度冷却过程中关断冷却光的同时也会关断回泵光，偏振梯度冷却结束后铷原子处于F＝1态；第三光纤EOM分别关断冷却光和回泵光，偏振梯度冷却结束后原子处于F＝2态。

2、本发明公开的一种铷原子干涉仪激光系统，利用光纤AOM、光纤环形器以及光纤回射器实现拉曼光大失谐，激光倍频后能够将拉曼光的失谐增加为光纤AOM调制频率的四倍，相比使用高频空间型AOM，提升拉曼光功率以及稳定性，相比使用边带锁定以及拍频锁相的移频方法，降低对控制系统的需求。

3、本发明公开的一种铷原子干涉仪激光系统，拉曼光光路上的两个AOM的调制频率存在频差，然后由拉曼光光路上的两个EOM其中之一的载波和另一个的边带分别作为两束拉曼光，最后光纤高速光电探测器探测拍频信号，实现两束拉曼光之间的相位锁定，同时避免多余的边带与原子发生受激拉曼跃迁。

附图说明

图1是本发明的一种铷原子干涉仪激光系统的整体组成示意图；

图2是本发明的一种铷原子干涉仪激光系统示意图；

图3是本发明的一种铷原子干涉仪激光系统的稳频模块组成示意图；

其中，1-激光种子源模块、2-冷却光模块、3-稳频模块、4-拉曼光大失谐模块、5-拉曼光模块、6-拍频锁相模块、101-激光种子源、102-光纤隔离器、103-第一光纤耦合器、201-第一光纤EOM、202-第一EDFA、203-第一PPLN、204-第二光纤耦合器、205-第一光纤AOM、301-第三光纤耦合器、302-第二光纤EOM、303-第一光纤准直器、304-第二光纤准直器、305-第一偏振片、306-第一半波片、307-第一PBS、308-第二半波片、309-第一反射镜、310-第二反射镜、311-铷泡、312-第二PBS、313-第一空间光电探测器、314-第二偏振片、315-第三半波片、316-第二空间光电探测器、401-光纤环形器、402-第二光纤AOM、403-光纤回射器、501-第二EDFA、502-第四光纤耦合器、503-第三光纤EOM、504-第四光纤EOM、505-第三光纤AOM、506-第四光纤AOM、507-第三EDFA、508-第四EDFA、509-第二PPLN、510-第三PPLN、511-光纤偏振合束器、512-第五光纤AOM、601-光纤高速光电探测器、602-前级低噪声放大器、603-鉴频鉴相器、604-滤波器、605-后级低噪声放大器、606-PID模块。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，实施例的一种铷原子干涉仪激光系统，包括：激光种子源模块1、冷却光模块2、稳频模块3、拉曼光大失谐模块4、拉曼光模块5以及拍频锁相模块6；

如图2所示，激光种子源模块1包括：激光种子源101、光纤隔离器102以及第一光纤耦合器103；

如图2所示，冷却光模块2包括：第一光纤EOM201、第一EDFA202、第一PPLN203、第二光纤耦合器204以及第一光纤AOM205；

如图3所示，稳频模块3包括：第三光纤耦合器301、第二光纤EOM302、第一光纤准直器303、第二光纤准直器304、第一偏振片305、第一半波片306、第一PBS307、第二半波片308、第一反射镜309、第二反射镜310、铷泡311、第二PBS312、第一空间光电探测器313、第二偏振片314、第三半波片315以及第二空间光电探测器316；

如图2所示，拉曼光大失谐模块4包括：光纤环形器401、第二光纤AOM402以及光纤回射器403；

如图2所示，拉曼光模块5包括：第二EDFA501、第四光纤耦合器502、第三光纤EOM503、第四光纤EOM504、第三光纤AOM505、第四光纤AOM506、第三EDFA507、第四EDFA508、第二PPLN509、第三PPLN510、光纤偏振合束器511以及第五光纤AOM512；

如图2所示，拍频锁相模块6包括：光纤高速光电探测器601、前级低噪声放大器602、鉴频鉴相器603、滤波器604、后级低噪声放大器605以及PID模块606；

实施例中，激光种子源模块1由1560nm波段光纤DFB提供激光种子源101，依次经过光纤隔离器102以及第一光纤耦合器103，输出激光分成两路输出；

第一光纤耦合器103的一路输出与冷却光模块2的输入连接，依次通过第一光纤EOM201、第一EDFA202、第一PPLN203以及第二光纤耦合器204，第二光纤耦合器204的一路输出与第一光纤AOM205的输入连接，第一光纤AOM205的输出作为冷却光、探测光以及回泵光；

第一光纤EOM201加调制时的载波和正一级边带分别作为干涉仪的冷却光和回泵光，第一光纤EOM201未加调制时输出作为探测光，第一光纤AOM205作为光开关；

第二光纤耦合器204的另外一路输出与稳频模块3的第三光纤耦合器301的输入连接，第三光纤耦合器301的第一个输出端与第二光纤EOM302的输入连接，第三光纤耦合器301的第二个输出端和第二光纤EOM302的输出端分别由第一303和第二光纤准直器304实现激光扩束与准直；经过第一光纤准直器303扩束准直后的激光依次通过第一偏振片305、第一半波片306、第一PBS307、第二半波片308、第一反射镜309、第二反射镜310、铷泡311以及第二PBS312，由第一空间光电探测器313探测；经过第二光纤准直器304扩束准直后的激光依次通过第二偏振片314、第三半波片315、第二PBS312、铷泡311、第二反射镜310、第一反射镜309、第二半波片308以及第一PBS307，由第二空间光电探测器316探测；第一空间光电探测器313的信号用于调制转移稳频，第二空间光电探测器316的信号用于观测饱和吸收信号或波长调制转移稳频；

稳频模块3能够锁定第一光纤EOM201的边带对应的波长，通过改变第一光纤EOM201驱动频率实现激光器输出频率的调频；

第一光纤耦合器的103另外一路输出与拉曼光大失谐模块4的输入相连，依次通过光纤环形器401、第二光纤AOM402、光纤回射器403、第二光纤AOM402以及光纤环形器401；

拉曼光大失谐模块4利用光纤AOM双通模式实现拉曼光大的失谐；

实施例中，经倍频后失谐是光纤AOM驱动频率的四倍；

光纤环形器401的输出与拉曼光模块5的输入连接，依次通过第二EDFA501以及第四光纤耦合器502，第四光纤耦合器502的一路输出依次通过第三光纤EOM503、第三光纤AOM505、第三EDFA507、第二PPLN509，第四光纤耦合器502的另一路输出依次通过第四光纤EOM504、第四光纤AOM506、第四EDFA508、第三PPLN510，第二PPLN509以及第三PPLN510的输出分别与光纤偏振合束器511的两个输入端连接，光纤偏振合束器511功率较高的一路输出与第五光纤AOM512连接，作为拉曼光，第二EDFA501起光功率预放大功能，第三光纤EOM503的载波和第四光纤EOM504的正一级边带分别作为两束拉曼光，第三光纤AOM505与第四光纤AOM506的驱动频率不同，以避免第四光纤EOM504的多阶边带与原子共振，第三光纤AOM505与第四光纤AOM506的驱动频率通过扫频补偿原子的多普勒失谐，第三EDFA 507与第四EDFA508在第三光纤AOM505与第四光纤AOM506的扫频过程中因第二EDFA501的预防大能够始终保持在饱和状态，光纤偏振合束器511实现拉曼光合束，第五光纤AOM512实现拉曼光的开关；

光纤偏振合束器511的另外一路输出与拍频锁相模块6的输入连接，由光纤高速光电探测器601将光拍频信号转为电信号，通过前级低噪声放大器602进行放大，与参考信号在鉴频鉴相器603中鉴频鉴相，鉴频鉴相的误差信号依次通过滤波器604、后级低噪声放大器605以及PID模块606，PID模块606输出的反馈信号反馈给第四光纤EOM504，实现激光相位锁定。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。