一种用于冷原子水平重力梯度仪的集成化拉曼激光系统

技术领域

本发明涉及冷原子干涉精密测量领域，尤其涉及一种用于冷原子水平重力梯度仪的集成化拉曼激光系统。

背景技术

冷原子干涉技术在近20年来得到迅速发展，被广泛用于精密测量物理和基础物理研究，并取得了丰硕的成果。在精密测量领域，利用冷原子干涉仪已经实现了重力加速度、重力梯度、地球转动等惯性量的高精度测量。冷原子干涉仪工作原理如文献(Atomicinterferometry using stimulated Raman transitions，M.Kasevich等,Phys.Rev.Lett.第67卷,181页，1991年)所介绍，也可简述如下：冷原子团在π/2-π-π/2拉曼激光脉冲序列的作用下发生类似光学干涉仪的分束、反射、合束过程，最终原子在两个末态路径的分布几率与拉曼激光的相对相位呈正弦关系，而重力加速度会使得原子的路径发生偏折从而感受到拉曼激光的相对相位发生变化，从而使原正弦曲线的相位发生移动，通过该相位移动即可反推出重力加速度的数值；在不同空间位置放置两个冷原子干涉仪同时测量相同方向的重力加速度，再进行差分运算得到重力梯度值，如文献(Sensitive absolute-gravitygradiometry using atom interferometry，J.M.McGuirk等，Physical Review A，第65卷，033608页，2002年)所介绍。

冷原子水平重力梯度仪需要在竖直空间不同高度位置分时发射两对拉曼激光，为了避免同时出现同向拉曼干涉和两种有效激光波矢方向相反的对向拉曼干涉，现有的解决方案有两种：

第一，在冷原子团抛射时刻给冷原子团施加沿拉曼光传播方向的水平初速度，如文献(Absolute geodetic rotation measurement using atom interferometry,J.K.Stockton等，Phys.Rev.Lett.，第107卷，133001页，2011)所介绍。

第二，在单次测量过程中需要对π/2-π-π/2拉曼激光脉冲序列的有效激光波矢方向方向进行反转，如文献(Gravity gradient survey with a mobile atominterferometer，X.Wu，斯坦福大学博士论文，2009年)所介绍。

第一种解决方案要求增加原子水平初速度，提高了系统复杂度，并且增加了原子团初始速度和位置的不稳定性，影响测量精度。第二种解决方案采用两个电光调制器分别调制两路拉曼激光，通过微波频率切换和放大模块控制两个电光调制器分时开光，实现拉曼激光波矢反转。由于两个电光调制器性能差异，导致波矢反转前后的拉曼激光性能一致性下降，影响测量精度，并且该方案结构复杂，成本高。

由此可见，现有冷原子水平重力梯度仪面临着原子初始速度和位置稳定性与拉曼激光稳定性难以兼得的问题，并且实现水平重力梯度测量的技术难度大、成本高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于冷原子水平重力梯度仪的集成化拉曼激光系统，包括：激光器单元、第一激光移频单元、激光放大单元、第二激光移频单元、第三激光移频单元、电光调制单元以及分束合束单元；

所述激光器单元用于产生单频激光，并且将所述单频激光分成功率可调的两路激光输出；激光器单元输出的其中一路激光经过激光放大单元后再次分成两路激光；激光放大单元输出的其中一路激光经过第二激光移频单元产生拉曼激光I，激光放大单元输出的另一路激光经过第三激光移频单元、电光调制单元产生拉曼激光II；拉曼激光I和拉曼激光II通过分束合束单元产生独立输出的激光I、激光II、激光III、激光IV；所述激光I、激光II、激光III、激光IV中包含拉曼激光I和/或拉曼激光II。

进一步的，所述激光器单元包括激光器、波片I、激光隔离器I、波片II、分束合束器I；

所述激光器发射单频激光依次经过波片I、激光隔离器I、波片II、分束合束器I后，被所述分束合束器I分成两路激光输出。

进一步的，所述激光器包括DFB半导体激光器、DBR半导体激光器、外腔半导体激光器或基于激光倍频方案的光纤激光器中的任意一种。

进一步的，激光器单元输出的两路激光中的另一路激光经过所述第一激光移频单元后输出，用于激光频率锁定。

进一步的，所述第一激光移频单元、第二激光移频单元、第三激光移频单元为A型激光移频单元或B型激光移频单元中的任意一种；

其中A型激光移频单元包含声光调制器I，输入激光以合适角度入射到声光调制器I，输出+1级或-1级衍射激光；

所述B型激光移频单元包含波片III、分束合束器II、声光调制器II、波片IV、透镜和反射镜I，输入激光依次传输经过波片III、分束合束器II、声光调制器II产生+1级或-1级衍射激光，+1级或-1级衍射激光再依次传输经过波片IV、透镜和反射镜I后，被反射镜I反射，并沿原路返回，最终在分束合束器II输出。

进一步的，所述激光放大单元包括反射镜II、反射镜III、波片V、激光放大器、波片VI、激光隔离器II、波片VII和分束合束器III；

输入激光依次传输经过反射镜II、反射镜III、波片V、激光放大器、波片VI、激光隔离器II、波片VII和分束合束器III后输出。

进一步的，所述分束合束单元包括：波片IX、分束合束器IV、波片X、分束合束器V、光机械开关I、光机械开关II、波片XI、分束合束器VI、光机械开关III、波片XII、光机械开关IV、分束合束器VII、波片XIII、分束合束器VIII、波片XIV、分束合束器IX；

入射的拉曼激光I依次传输经过波片IX和分束合束器IV后分成两束，其中一束光依次传输经过光机械开关I、分束合束器VI、波片XIII和分束合束器VIII后分成两束，两束激光分别从激光I和激光II输出端口输出，另一束光依次传输经过光机械开关III、波片XII、分束合束器VII、波片XIV和分束合束器IX后分成两束，两束激光分别从激光III和激光IV输出端口输出；

入射的拉曼激光II依次传输经过波片X和分束合束器V后分成两束，其中一束光依次传输经过光机械开关II、波片XI、分束合束器VI、波片XIII和分束合束器VIII后分成两束，两束激光分别从激光I和激光II输出端口输出，另一束光依次传输经过光机械开关IV、分束合束器VII、波片XIV和分束合束器IX后分成两束，两束激光分别从激光III和激光IV输出端口输出。

进一步的，所述电光调制单元包括波片VIII和电光调制器，利用电光调制器调制输入激光的相位，产生相应的边带；输入激光依次传输通过波片VIII和电光调制器后输出。

进一步的，所述电光调制器为自由空间输入型或光纤输入型相位调制器，调制带宽至少包含2～10GHz的范围。

本发明的有益效果是：

1、仅使用1个电光调制器实现了用于冷原子水平重力梯度仪的拉曼激光系统，可以消除使用两个电光调制器方案带来的波矢反转前后的拉曼激光性能一致性下降；

2、采用本方案，不需要给冷原子团施加沿拉曼光传播方向的水平初速度，提高了原子初始速度和位置的稳定性；

3、本方案不需要复杂的微波频率切换和放大模块，也不需要增加给原子提供水平初速度的冷却激光频率控制模块和冷却激光光路，从而降低了光学系统和相应电控系统的复杂程度，降低了系统的体积、功耗和成本。

附图说明

图1为本系统的结构方框图；

图2为激光器单元的结构方框图；

图3为A型激光移频单元的结构方框图；

图4为B型激光移频单元的结构方框图；

图5为激光放大单元的结构方框图；

图6为电光调制单元的结构方框图；

图7为分束/合束单元的结构方框图；

图8冷原子水平重力梯度仪拉曼光工作原理图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10-激光器单元，

101-激光器，102-波片I，103-激光隔离器I，104-波片II，105-分束合束器I；

20-第一激光移频单元，21-第二激光移频单元，22-第三激光移频单元，

211-AOM声光调制器I，221-波片III，222-分束合束器II，223-AOM声光调制器II，224-波片IV，225-透镜，226-反射镜I；

30-激光放大单元，

301-反射镜II，302-反射镜III，303-波片V，304-激光放大器，305-波片VI，306-激光隔离器II、307-波片VII、308-分束合束器III；

40-电光调制单元，

401-波片VIII，402-电光调制器；

50-分束/合束单元，

501-波片IX，502-分束合束器IV，503-波片X，504-分束合束器V，505-光机械开关I，506-光机械开关II，507-波片XI，508-分束合束器VI，509-光机械开关III，510-波片XII，511-光机械开关IV，512-分束合束器VII，513-波片XIII，514-分束合束器VIII，515-波片XIV，516-分束合束器IX。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一、总体

如图1，本拉曼激光系统包含激光器单元10、激光移频单元20、激光放大单元30、电光调制单元40、分束/合束单元50。

其光路为：

激光器单元10产生单频激光，并且分成激光功率比例可调的两束激光输出，其中一路激光经过第一激光移频单元20后输出，用于激光频率锁定；激光器单元10输出的另一束激光经过激光放大单元30后再分成两束激光，其中一束激光经过第二激光移频单元22产生拉曼激光I，另一束光经过第三激光移频单元21和电光调制单元40产生拉曼激光II；拉曼激光I与拉曼激光II通过分束/合束单元50产生独立输出的激光I、激光II、激光III和激光IV，这4束激光均可同时包含拉曼激光I和拉曼激光II两种成分，或者分别是拉曼激光I或拉曼激光II。

二、功能部件

1、激光器单元10

如图2，激光器单元10包含激光器101、波片I102、激光隔离器I103、波片II104和分束合束器I105；

其光路结构为：激光器101发射的单频激光依次传输经过波片I102、激光隔离器I103、波片II104和分束合束器I105后分成两路激光输出；

激光器101采用DFB半导体激光器、DBR半导体激光器、外腔半导体激光器或基于激光倍频方案的光纤激光器；

其工作机理是：

激光器101输出的单频激光经过波片I102调整至合适的偏振状态，使激光通过激光隔离器I103的效率最高，波片II104和分束合束器I105组成分光组件，将激光隔离器I103输出的激光分成沿垂直方向传播的两束激光，通过旋转波片I104的光轴可以改变分束合束器I105输出的两束激光的功率比。

2、第一激光移频单元20、第二激光移频单元21、第三激光移频单元22

如图3，激光移频单元20包含两种结构：A型激光移频单元(图3)或B型激光移频单元(图4)；

A型激光移频单元包含声光调制器I211；

B型激光移频单元包含波片III221、分束合束器II222、声光调制器II223、波片IV224、透镜225和反射镜I226；

A型激光移频单元的光路结构简单，输入激光以合适的角度入射到声光调制器I211，输出+1级或-1级衍射激光；

B型激光移频单元的光路结构是：

输入光依次传输经过波片III221、分束合束器II222和声光调制器II223产生衍射激光，+1级或-1级衍射激光依次传输经过波片IV224、透镜225和反射镜I226后，被反射镜I226反射，并沿原路返回，最后从分束合束器II222输出；

其工作机理是：

入射激光以特定的角度入射到声光调制器，声光调制器对激光产生衍射效应，可产生+1级或-1级衍射激光，声光调制器由射频信号驱动，衍射激光与入射激光的频率差异由射频信号的频率决定，衍射效率由射频信号的幅度、声光调制器的衍射效率曲线以及入射激光的角度和光斑质量共同决定；

A型激光移频单元只对入射激光进行一次移频；B型激光移频单元对入射激光进行两次移频，两次移频过程激光频率改变量相同。

3、激光放大单元30

如图5，激光放大单元30包含反射镜II301、反射镜III302、波片V303、激光放大器304、波片VI305、激光隔离器II306、波片VII307和分束合束器III308；

其光路结构是：

入射激光依次传输经过反射镜II301、反射镜III302、波片V303、激光放大器304、波片VI305、激光隔离器II306、波片VII307和分束合束器III308后输出；

激光放大器304为一种用于放大激光功率的器件；

其功能是：

放大输入激光的功率。

4、电光调制单元40

如图6，电光调制单元40包含波片VIII401和电光调制器402；

电光调制器为自由空间输入型或光纤输入型相位调制器，调制带宽不小于2～10GHz的范围；

其光路结构是：

入射激光依次传输经过波片VIII401和电光调制器402后输出；

其功能是：

利用电光调制器调制输入激光的相位，产生相应的边带。

5、分束/合束单元50

如图7，分束/合束单元50包含波片IX501、分束合束器IV502、波片X503、分束合束器V504、光机械开关I505、光机械开关II506、波片XI507、分束合束器VI508、光机械开关III509、波片XII510、光机械开关IV511、分束合束器VII512、波片XIII513、分束合束器VIII514、波片XIV515、分束合束器IX516；

其光路结构是：

入射的拉曼激光I依次传输经过波片IX501和分束合束器IV502后分成两束，其中一束光依次传输经过光机械开关I505、分束合束器VI508、波片XIII513和分束合束器VIII514后分成两束，两束激光分别从激光I和激光II输出端口输出，另一束光依次传输经过光机械开关III509、波片XII510、分束合束器VII512、波片XIV515和分束合束器IX516后分成两束，两束激光分别从激光III和激光IV输出端口输出；

入射的拉曼激光II依次传输经过波片X503和分束合束器V504后分成两束，其中一束光依次传输经过光机械开关II506、波片XI507、分束合束器VI508、波片XIII513和分束合束器VIII514后分成两束，两束激光分别从激光I和激光II输出端口输出，另一束光依次传输经过光机械开关IV511、分束合束器VII512、波片XIV515和分束合束器IX516后分成两束，两束激光分别从激光III和激光IV输出端口输出；

其功能是：

通过4个光机械开关可以控制4路输出激光中拉曼激光I成分和拉曼激光II成分的开关，实现拉曼激光波矢反向的快速反转，其中：

光机械开关I505控制激光I和激光II中拉曼激光I成分的开关；

光机械开关II506控制激光1和激光2中拉曼激光II成分的开关；

光机械开关III509控制激光III和激光IV中拉曼激光I成分的开关；

光机械开关IV511控制激光III和激光IV中拉曼激光II成分的开关。

三、工作原理

冷原子水平重力梯度仪利用沿水平方向传播的π/2-π-π/2拉曼激光脉冲序列操控竖直上抛的冷原子团，因此需要空间分离的两组拉曼光分别作为π/2脉冲和π脉冲。原子运动的轨迹和拉曼脉冲作用的位置如图8，π脉冲作用在原子运动的顶点位置，两个π/2脉冲作用的位置相同且比π脉冲作用的位置低gT

两个π/2脉冲的有效波矢为k

此外，拉曼激光还需要满足以下条件：

(1)激光I和激光III的频率差等于原子基态两个超精细能级的频率间隔；

(2)拉曼激光频率相对于基态到激发态的跃迁频率失谐约1GHz。

四、实施例

以下结合Rb-87原子的喷泉型冷原子水平重力梯度仪的拉曼激光系统实施例来阐明本发明的工作原理。

具体方案为：

①激光器单元10中激光器101选用外腔半导体激光器，工作波长为780nm，波片II104和分束合束器I105分别为1/2波片和偏振分光棱镜PBS，将激光功率按10/90分配；

②激光器单元10输出的功率较小的一路激光通过第一激光移频单元20移频，第一激光移频单元20选用中心工作频率为500MHz的AOM，模式选用B型激光移频单元，因此激光通过该第一激光移频单元20后产生1GHz的频率变化，选用+1级衍射光作为锁频激光，将该+1级衍射光锁定到Rb-87原子D

③激光器单元10输出的功率较大的一路激光通过激光放大单元30进行放大，波片VII307和分束合束器III308分别为1/2波片和偏振分光棱镜PBS，将激光分成两束，两束激光的功率比可通过波片VII307调节，激光放大器304输出的激光功率不小于1.5W；

④激光放大单元30分别经过第二激光移频单元21和第三激光移频单元22移频，第二激光移频单元21和第三激光移频单元22均选用中心工作频率为100MHz的AOM，模式选用B型激光移频单元，两路激光移频量分别为200MHz和202MHz，均选用-1级衍射光；

⑤激光移频量为200MHz的激光经过电光调制单元40产生边带，电光调制器402选用自由空间电光调制器，调制频率设置为Δω＝6.832GHz，电光调制器402产生载波和±1级边带，频率分别为ω

⑥两个路径上的激光通过分束/合束单元50产生拉曼激光。

拉曼激光II包含电光调制器402产生载波和±1级边带，频率分别为ω

拉曼激光波矢反转的实现方法如下：

如图7，利用激光I和激光III构成一对拉曼跃迁，在π/2脉冲作用时，打开光机械开关I505和光机械开关IV511，关闭光机械开关II506和光机械开关III509，因此激光I只含有拉曼激光I成分，激光III只含有拉曼激光II成分；在π脉冲作用时，打开光机械开关II506和光机械开关III509，关闭光机械开关I505和光机械开关IV511，因此激光I只含有拉曼激光II成分，激光III只含有拉曼激光I成分。定义图8从右往左方向为拉曼光有效波矢方向，π/2脉冲作用时，有效波矢为k

综上所述，本发明实现了一种用于冷原子水平重力梯度仪的集成化激光系统。与已有的冷原子水平重力梯度仪的方案相比，本发明仅使用1个电光调制器实现了用于冷原子水平重力梯度仪的拉曼激光系统，可以消除使用两个电光调制器方案带来的波矢反转前后的拉曼激光性能一致性下降；此外，本方案不要求给冷原子团施加沿拉曼光传播方向的水平初速度，提高了原子初始速度和位置的稳定性；本方案还降低了光学系统和相应电控系统的复杂程度，降低了系统的体积、功耗和成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。