阅读说明：本技术 一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置 (Integrated single laser source optical device for movable cold atom interferometer ) 是由 胡青青 马明祥 徐馥芳 杨俊� 罗玉昆 李莹颖 强晓刚 汪杰 朱凌晓 贾爱爱 王 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置,包括：激光源及功率放大模块,用于产生单频激光；激光频率稳定及调节模块,用来将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；激光功率稳定、分配及时序控制模块,用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；微波源及电子学控制模块,用于对上述所有模块的开关及时序控制,最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。本发明具有小体积、低功耗、低成本、高稳定等优点。(The invention discloses an integrated single laser source optical device for a movable cold atom interferometer, which comprises: the laser source and power amplification module is used for generating single-frequency laser; the laser frequency stabilizing and adjusting module is used for converting the single-frequency laser into seven laser frequencies required by the cold atom interferometer; the laser power stabilizing, distributing and time sequence control module is used for generating various lasers with specific frequency and power according to time sequence; and the microwave source and electronic control module is used for controlling the on-off and time sequence of all the modules, and finally the output light is transmitted to the sensor head module of the atomic interferometer through four polarization-maintaining optical fibers. The invention has the advantages of small volume, low power consumption, low cost, high stability and the like.)

一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置

技术领域

本发明主要涉及到冷原子干涉精密测量技术领域，特指一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置。

背景技术

冷原子干涉仪是以原子物质波代替光波作为测量介质的新一代高精度测量仪器。由于冷原子具有德布罗意波长短、自由演化时间长、静态质量大、原子团速度分布小以及内部能级结构复杂等特性，使冷原子干涉技术比激光干涉技术在精密测量上具有许多内禀的优越性和良好的技术潜力。根据激光与原子相互作用方向及方式的不同可以构成原子干涉重力仪、重力梯度仪、原子干涉陀螺仪、原子钟等精密测量仪器，用于惯性导航、地球物理、地质勘探、资源勘探、工业生产、基础科学研究等众多领域。

为实现冷原子干涉仪，需要参考光、冷却光、吹散光、回泵光、探测光、拉曼光1、拉曼光2等7种不同频率、不同功率的激光在不同时间按特定时序变化并与原子相互作用，用于完成原子激光冷却与囚禁、原子速度选择和原子态制备、原子分束-反射-合束、原子布居数归一化探测等功能。并且，为了实现可移动测量，需要给冷原子干涉仪配套体积小、功耗低、结构简单、稳定性好的集成化激光系统。

搭建在光学平台上基于分立光学元件的激光系统显然不能满足上述要求。集成化光学装置主要有自由空间式和全光纤式两种实现方式：目前已经实现了基于5个(SchmidtM,Prevedelli M,Giorgini A,Tino GM,Peters A Applied Physics B 2010,102,11.)和2个(Bodart Q,Merlet S,Malossi N,Dos Santos FP,Bouyer P,Landragin A AppliedPhysics Letters 2010,96,134101；S.Merlet，L.Volodimer，M.Lours，F.P.DosSantos，Appl.Phys.B，117，749-754，2014)半导体激光源结合多个激光放大器的集成化自由空间光学装置。这种采用多个半导体激光源结合光学锁相环的方式虽然能够实现所需的激光频率及功率，但装置仍然较为复杂、体积大、价格高并且稳定性差；还实现了基于2个(Zhang X,Zhong J,Tang B,Chen X,Zhu L,Huang P,Wang J,Zhan M Applied Optics 2018,57,6545；O.Carraz，F.Lienhart，R.Charrière，M.Cadoret，N.Zahzam，Y.Bidel，A.Bresson，Appl.Phys.B，97，405-411，2009))和1个(Theron F,Carraz O,Renon G,Zahzam N,BidelY,Cadoret M,Bresson A Applied Physics B 2014,118,1；Luo Q,Zhang H,Zhang K,DuanXC,Hu ZK,Chen LL,Zhou MK Rev Sci Instrum 2019,90,043104)1.5μm通信波段光纤激光源的光纤光学装置。虽然1.5μm的激光源及光纤器件发展比较成熟，但复杂、低效、昂贵、高功耗的激光倍频模块让1.5μm倍频方式的光纤激光光学装置的应用范围受限，并且倍频方案仅仅对铷和钾等原子适用，不能适用于其他种类的碱金属原子。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种小体积、低功耗、低成本、高稳定的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，包括：

激光源及功率放大模块，用于产生单频激光；

激光频率稳定及调节模块，用于将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；

激光功率稳定、分配及时序控制模块，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；

微波源及电子学控制模块，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。

作为本发明的进一步改进：所述激光源及功率放大模块中的半导体激光器LS输出单频激光经过激光隔离器ISO1进行输出，经过频率稳定和移频的激光注入到锥形激光放大器TA中进行激光功率放大，再经过激光隔离器ISO2进行输出。

作为本发明的进一步改进：所述的半导体激光器LS为分布反馈半导体激光器，通过采用大调谐范围高精度激光频率锁定技术及高宽带激光相位调制器实现原子干涉仪所需的频移量和频率差。

作为本发明的进一步改进：所述激光频率稳定及调节模块中的半波片和偏振分光棱镜PBS1将经激光隔离器ISO1后的激光分成5：95的两部分，其中5％部分的激光用于频率稳定及调节。

作为本发明的进一步改进：所述激光频率稳定及调节模块中的电光调制器EOM1移频后+1级衍射光作为锁频光，在原子冷却阶段，电光调制器EOM1移频～100MHz并且扫频实现偏振梯度冷却，在原子干涉阶段，电光调制器EOM1移频～2GHz；电光调制器EOM1的+1级衍射锁频光经半波片WP2和偏振分光棱镜PBS2分为两束，其中一束作为泵浦光，被电光调制器EOM2调制后经偏振分光棱镜PBS3后作用于碱金属原子气室C上，另一束作为探测光，经扩束棱镜L后作用到碱金属原子气室C上，再通过偏振分光棱镜PBS3后被光电探测器PD1探测，形成调制转移谱信号，再经过微波源及电子学控制模块将激光频率锁定到碱金属原子的跃迁谱线上；最后经电光调制器EOM3后的+1阶衍射光作为回泵光、吹散光F＝1和拉曼光2，0阶光作为冷却光、探测光、吹散光和拉曼光1。

作为本发明的进一步改进：所述的激光功率稳定、分配及时序控制模块包括声光调制器AOM1、半波片WP3、偏振分光棱镜PBS4、光电探测器PD2、比例积分反馈电路PID、声光调制器AOM2及机械开关，并通过半波片WP4、偏振分光棱镜PBS5、半波片WP5、偏振分光棱镜PBS6、半波片WP6、偏振分光棱镜PBS7将激光以一定功率比耦合进光纤耦合器及单模保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中实现原子干涉仪。

作为本发明的进一步改进：所述微波源及电子学控制模块通过激光时序控制声光调制器射频源VCO3控制声光调制器AOM2；所述微波源及电子学控制模块通过激光装置机械开关时序控制器SC控制机械开关进行各路激光功率的时序控制；所述微波源及电子学控制模块通过激光功率稳定声光调制器射频源VCO2进行功率稳定。

作为本发明的进一步改进：所有模块均安装在一个机箱内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，仅包括单个激光源加单个激光放大器，比目前任何实现原子干涉的光学装置都要简单，从而简化了光路结构，降低了系统的体积、功耗和成本。

2、本发明的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，通过采用大调谐范围高精度激光频率锁定技术及高宽带激光相位调制器实现原子干涉仪所需的频移量和频率差，能在2GHz内实现无跳模锁频和移频。

3、本发明的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，不包含倍频器件，从而降低了光学装置和电路系统的复杂程度，为可移动冷原子干涉仪提供了一种小体积、低功耗、低成本、高稳定的单激光源光学装置。

4、本发明的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，采用模块化设计，各模块之间通过光纤连接，从而提高了本光学装置的易调节性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明在具体实施例中⁸⁷Rb原子干涉仪的实验流程示意图。

图3是本发明在具体实施例中⁸⁷Rb原子干涉仪所需的激光频率示意图。

图4是本发明在具体实施例中⁸⁷Rb原子干涉仪的集成化单激光源光学装置详细光路示意图。

图例说明：

10、激光源及功率放大模块；11、半导体激光器LS；12、激光隔离器ISO₁；13、锥形激光放大器TA；14、激光隔离器ISO₂；

20、激光频率稳定及调节模块；201、半波片WP₁；202、偏振分光棱镜PBS₁；203、电光调制器EOM₁；204、半波片WP₂；205、偏振分光棱镜PBS₂；206、扩束棱镜L；207、碱金属原子气室C；208、偏振分光棱镜PBS₃；209、光电探测器PD₁；210、电光调制器EOM₂；211、电光调制器EOM₃；

30、激光功率稳定、分配及时序控制模块；301、声光调制器AOM₁；302、半波片WP₃；303、偏振分光棱镜PBS₄；304、光电探测器PD₂；305、比例积分反馈电路PID；306、声光调制器AOM₂；307、半波片WP₄；308、偏振分光棱镜PBS₅；309、机械开关S₁；310、光纤耦合器及单模保偏光纤C₁；311、半波片WP₅；312、偏振分光棱镜PBS₆；313、机械开关S₂；314、光纤耦合器及单模保偏光纤C₂；315、半波片WP₆；316、偏振分光棱镜PBS₇；317、机械开关S₃；318、光纤耦合器及单模保偏光纤C₃；319、机械开关S₄；320、光纤耦合器及单模保偏光纤C₄；

40、小型化机箱；

50、微波源及电子学控制模块；51、半导体激光器控制器PID₂；52、冷却与拉曼光跳频射频源MW₁；53、调制转移光谱泵浦光调制射频源VCO₁；54、拉曼光低噪声射频源MW₂；55、激光锥形放大器控制器PID₃；56、激光功率稳定声光调制器射频源VCO₂；57、激光时序控制声光调制器射频源VCO₃；58、激光装置机械开关时序控制器SC。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，包括：

激光源及功率放大模块10，用于产生单频激光；

激光频率稳定及调节模块20，用来将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；

激光功率稳定、分配及时序控制模块30，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；

微波源及电子学控制模块50，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。

在具体应用实例中，上述所有模块均安装在一个机箱40里，该机箱40为小型化机箱。

如图2所示，以⁸⁷Rb原子干涉仪为例，它的实验流程包括：磁光阱冷却与囚禁原子、自由释放原子团、原子速度与态选择、三束拉曼脉冲与原子团作用形成原子干涉、原子干涉信号末态探测等过程，整个过程都是由时序控制系统自动控制的。

如图3所示，⁸⁷Rb原子干涉仪所需的激光包括：参考光、冷却光、吹散光、回泵光、探测光、拉曼光1、拉曼光2等7种不同频率的激光。其中：参考光通过⁸⁷Rb原子气室进行调制转移谱法稳频将激光频率锁定在⁸⁷Rb原子F＝2→F’＝3的跃迁谱线上，获得<100kHz的超窄激光线宽，用于为其他激光提供频率参考；冷却光频率与F＝2→F’＝3跃迁负失斜8～140MHz，用于构成磁光阱和光学黏胶使原子团冷却并囚禁；探测光和吹散光F＝2频率相同，与F＝2→F’＝3跃迁近共振或者负失斜1～2MHz，用于探测或吹散掉F＝2态上的原子；回泵光频率与F＝2→F’＝2跃迁近共振，用于将F＝1态的原子回泵到F＝2态；吹散光F＝1频率与F＝1→F’＝0跃迁近共振，用于吹散掉F＝1态的原子；拉曼光1和2频率相差6.834GHz并与F＝2→F’＝1跃迁负失斜几百MHz～几GHz，用于产生双光子拉曼跃迁形成干涉环路。

在具体应用实施例中，如图4所示，⁸⁷Rb原子干涉仪的集成化单激光源光学装置详细光路包括：

激光源及功率放大模块10具体包括：半导体激光器LS 11、激光隔离器ISO₁ 12、锥形激光放大器TA 13、激光隔离器ISO₂ 14；

激光频率稳定及调节模块20具体包括：半波片WP₁ 201、偏振分光棱镜PBS₁ 202、电光调制器EOM₁ 203、半波片WP₂ 204、偏振分光棱镜PBS₂ 205、扩束棱镜L 206、碱金属原子气室C 207、偏振分光棱镜PBS₃ 208、光电探测器PD₁ 209、电光调制器EOM₂ 210、电光调制器EOM₃ 211；

激光功率稳定、分配及时序控制模块30具体包括：声光调制器AOM₁ 301、半波片WP₃302、偏振分光棱镜PBS₄ 303、光电探测器PD₂ 304、比例积分反馈电路PID 305、声光调制器AOM₂ 306、半波片WP₄ 307、偏振分光棱镜PBS₅ 308、机械开关S₁ 309、光纤耦合器及单模保偏光纤C₁ 310、半波片WP₅ 311、偏振分光棱镜PBS₆ 312、机械开关S₂ 313、光纤耦合器及单模保偏光纤C₂ 314、半波片WP₆ 315、偏振分光棱镜PBS₇ 316、机械开关S₃ 317、光纤耦合器及单模保偏光纤C₃ 318、机械开关S₄ 319、光纤耦合器及单模保偏光纤C₄ 320；

微波源及电子学控制模块50具体包括：半导体激光器控制器PID₂ 51、冷却与拉曼光跳频射频源MW₁ 52、调制转移光谱泵浦光调制射频源VCO₁ 53、拉曼光低噪声射频源MW₂54、激光锥形放大器控制器PID₃ 55、激光功率稳定声光调制器射频源VCO₂ 56、激光时序控制声光调制器射频源VCO₃ 57、激光装置机械开关时序控制器SC 58。

本实施例中，具体激光传输和控制过程为：

所述半导体激光器LS 11产生780nm单频激光，经激光隔离器ISO₁ 12后用半波片201和偏振分光棱镜PBS₁ 202分成5:95的两部分，5％部分的激光经冷却与拉曼光跳频射频源MW₁ 52驱动的电光调制器EOM₁ 203移频后+1级衍射光作为锁频光。

在原子冷却阶段，电光调制器EOM₁ 203移频～100MHz并且能够扫频实现偏振梯度冷却。

在原子干涉阶段，电光调制器EOM₁ 203移频～2GHz；电光调制器EOM₁ 203的+1级衍射锁频光经半波片WP₂ 204和偏振分光棱镜PBS₂ 205分为两束，其中一束作为泵浦光，被调制转移光谱泵浦光调制射频源VCO₁ 53 1～20MHz驱动的电光调制器EOM₂ 210调制后经偏振分光棱镜PBS₃ 208后作用于碱金属⁸⁷Rb原子气室C 207上，另一束作为探测光，经扩束棱镜L206后作用到碱金属⁸⁷Rb原子气室C 207上，再通过偏振分光棱镜PBS₃ 208后被光电探测器PD₁ 209探测，形成调制转移谱信号，再经过半导体激光器控制器PID₂ 51将激光频率锁定到F＝2→F’＝3的跃迁谱线上；从偏振分光棱镜PBS₁ 202分出的95％部分光，经频率为6.834GHz的低噪声拉曼光射频源MW₂ 54驱动的电光调制器EOM₃ 211后的+1阶衍射光作为回泵光、吹散光F＝1和拉曼光2，0阶光作为冷却光、探测光、吹散光和拉曼光1，通过调节冷却与拉曼光跳频射频源MW₁ 52的驱动频率可以精确调节各激光的频率失斜；

以上所有激光首先通过激光锥形放大器控制器PID₃ 55控制的锥形激光放大器TA13和激光隔离器ISO₂ 14进行功率放大，之后通过激光功率稳定、分配及时序控制模块30产生所需的各种激光，具体的通过声光调制器AOM₁ 301、半波片WP₃ 302、偏振分光棱镜PBS₄303、光电探测器PD₂ 304、比例积分反馈电路PID 305控制激光功率稳定声光调制器射频源VCO₂ 56进行功率稳定，通过激光时序控制声光调制器射频源VCO₃ 57控制声光调制器AOM₂306以及激光装置机械开关时序控制器SC5 8控制机械开关S₁ 309、机械开关S₂ 313、机械开关S₃ 317和机械开关S₄ 319进行各路激光功率的时序控制，最后通过半波片WP₄ 307、偏振分光棱镜PBS₅ 308、半波片WP₅ 311、偏振分光棱镜PBS₆ 312、半波片WP₆ 315、偏振分光棱镜PBS₇ 316将激光以一定功率比耦合进光纤耦合器310、314、318、320及单模保偏光纤C₁，C₂、C₃、C₄传输到原子干涉仪的传感头模块中实现原子干涉仪。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。