应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法
阅读说明：本技术 应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法 (Miniature main laser light path device applied to cold atom fountain clock and adjusting method ) 是由 陈伟亮 李天初 房芳 戴少阳 刘昆 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置,包括光纤耦合器、HP旋转组合模块与猫眼双次通过声光调制模块,用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由光纤耦合器准直输出到自由空间,经HP旋转组合模块进行分光,分为探测光、向上和向下冷却光,探测光、向上和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后,通过1/4波片和1/2波片组合后再入射到对应的光纤耦合器耦合进入保偏光纤,进而分别用作冷原子喷泉钟所需的探测光、向上和向下冷却光。本发明具有约束光路走向,降低光高,提升冷原子喷泉钟光路稳定性的优点。本发明还提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置的调整方法。(The invention provides a miniaturized main laser light path device applied to a cold atom fountain clock, which comprises an optical fiber coupler, an HP rotary combination module and a cat eye double-pass acousto-optic modulation module, wherein frequency-stabilized main laser used for the cold atom fountain clock is transmitted through polarization-maintaining optical fibers, then is collimated and output to a free space through the optical fiber coupler, is subjected to light splitting through the HP rotary combination module and is divided into detection light, upward cooling light and downward cooling light, the detection light, the upward cooling light and the downward cooling light respectively enter three cat eye double-pass acousto-optic modulation modules to be subjected to frequency and amplitude control of the laser, are combined through 1/4 wave plates and 1/2 wave plates and then enter corresponding optical fiber couplers to be coupled into polarization-maintaining optical fibers, and further are respectively used as the detection light, the upward cooling light and the downward cooling light required by the cold atom fountain clock. The invention has the advantages of restricting the trend of the light path, reducing the light height and improving the stability of the light path of the cold atom fountain clock. The invention also provides an adjusting method of the miniaturized main laser light path device applied to the cold atom fountain clock.)
技术领域
本发明属于激光光路技术领域，尤其涉及一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置及调整方法。
背景技术
冷原子喷泉钟是实现原子跃迁频率复现的频率标准装置，通过激光冷却囚禁原子技术，将真空中室温状态下的原子冷却到1～3μK，接近绝对零度，并通过移动光学黏胶方法将冷原子上抛，在原子自由落体过程中与微波作用，之后利用激光探测原子的量子态，以此实现馈入微波频率锁定在原子跃迁频率。主激光在冷原子喷泉钟中用作原子的操控和探测。主激光器输出的主激光通过原子气室饱和吸收光谱锁定在原子基态能级与激发能级之间的相应跃迁频率上。主激光光路则用于主激光的分光，频率调制和偏振控制，满足喷泉钟激光冷却所需的激光频率、幅度、偏振和时序控制要求。
传统的冷原子喷泉钟主激光光路采用通用光学元件和调节架，光路走向不收约束，声光调制器水平放置，造成占用面积较大，通常的光路面积大于1.2m*0.9m，而且光路的光程较长，光高较高，增加了系统的不稳定性。
发明内容
本发明的一些实施例提出一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置，解决传统的冷原子喷泉钟主激光光路采用通用光学元件和调节架，光路走向不收约束，声光调制器水平放置，造成占用面积较大而且光路的光程较长，光高较高，增加了系统的不稳定性的技术问题。
本发明提供了一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置，包括光纤耦合器、HP旋转组合模块与猫眼双次通过声光调制模块，
用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由光纤耦合器准直输出到自由空间，经HP旋转组合模块进行分光，分为探测光、向上冷却光和向下冷却光，所述探测光、向上冷却光和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后，通过1/4波片和1/2波片组合后再入射到对应的光纤耦合器耦合进入保偏光纤，进而分别用作冷原子喷泉钟所需的探测光、向上冷却光和向下冷却光。
优选地，所述光纤耦合器包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器，所述HP旋转组合模块包括第一HP旋转组合模块、第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块，
用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由所述第一光纤耦合器准直输出，然后依次经过所述第一HP旋转组合模块、第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块进行分光，所述第一HP旋转组合模块用于固定光纤出射激光的偏振态，使得所述第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块的分光比不会随入射光纤的偏振抖动而变化，所述第二HP旋转组合模块分出的反射光束用作探测光；所述第三HP旋转组合模块分出的反射光束用作向上冷却光，所述第四HP旋转组合模块分出的反射光束用作向下冷却光束；
所述探测光、向上冷却光和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后，通过1/4波片和1/2波片组合后再分别入射到对应的第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器进行耦合进入保偏光纤。
优选地，所述猫眼双次通过声光调制模块包括依次设置的竖直声光调制器、透镜、1/4波片与反射镜，所述1/4波片用于调整光束的偏振方向，准直光束经所述竖直声光调制器移频后产生偏转光束，传输透镜焦距距离后零级光束和+1级光束经所述透镜聚焦，焦点位于所述反射镜的镜面上，反射光按原路返回，通过所述透镜和竖直声光调制器后二次通过的+1级光束与入射光束重合。
优选地，所述竖直声光调制器包括竖直转接座与声光调制器，所述竖直转接座与声光调制器固定连接，所述竖直转接座通过旋转轴固定在光学平面上，并且所述竖直转接座围绕所述旋转轴转动。
优选地，所述透镜为焦距为25mm整数倍的透镜。
优选地，所述HP旋转组合模块包括转接座、安装1/2波片的旋转架、安装PBS的安装台、转接PBS安装台的旋转架，
所述HP旋转组合模块用于提供准直光束的偏振分束功能与PBS反射方向的俯仰和水平偏转的调节功能；
所述安装1/2波片的旋转架与转接PBS安装台的旋转架通过螺钉固定在所述转接座上，用于调整所述转接座的加工高度，使得安装后的所述安装1/2波片的旋转架与转接PBS安装台的旋转架通光孔中心高度通过调整所述转接座的加工高度保持与光路装置的光高一致。
优选地，所述光路装置按照标准光学平板固定孔中心的连线横平竖直布局，并且根据光路功能按最短距离布局光路。
优选地，所述光纤耦合器为五轴光纤耦合器。
本发明还提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置的调整方法，包括如下步骤：
步骤一：主激光的准直和光高调节
将输出主激光的保偏光纤连接到光纤耦合器上输出准直光束，调节光纤耦合器的准直透镜位置，优化光束准直度；
调整光纤耦合器的XY方向旋钮，使得光束在光路光高平面上与光学平板平行，并按光路光高要求沿光学平板固定孔中心连线布局；
步骤二：HP旋转组合模块调节
准直光束依次通过四个HP旋转组合模块进行分光，第一HP旋转组合模块将光纤输出光大部分调整为透射输出，用于固定光纤出射激光的偏振态；第二HP旋转组合模块分出的反射光束用作探测光；第三HP旋转组合模块分出的反射光束用作向上冷却光，第四HP旋转组合模块分出的反射光束用作向下冷却光束；
所有HP旋转组合模块的反射光束均按光路布局要求在固定光高上沿光学平板的固定孔中心连线横平竖直布局；
步骤三：竖置声光调制器调节
竖置声光调制器包括声光调制器与竖置转接座，所述声光调制器和竖置转接座固定连接，所述声光调制器的换能器中心位置通过所述竖置转接座上的定位孔定位，固定在光路布局要求的光高上；
准直光束从水平方向入射到所述竖直声光调制器，通过在竖置方向上旋转所述声光调制器，在水平方向上旋转所述竖置转接座，实现声光调制器效率的优化；
步骤四：猫眼双次通过声光调制模块的调整
经过所述HP旋转组合模块分出的探测光、向上冷却光和向下冷却光将分别通过对应的所述猫眼双次通过声光调制模块实现激光的频率和幅度控制；
步骤五：自由空间至保偏光纤的光纤耦合调节
经过所述猫眼双次通过声光调制模块后由对应的HP旋转组合模块透射的探测光、向上冷却光和向下冷却光的自由空间光束需要耦合进对应的三根保偏光纤进行传输；
其中，每根保偏光纤的耦合包括一个光纤耦合器、一个1/2波片和一个1/4波片，调节所述光纤耦合器的透镜焦距、俯仰、倾斜和XY方向，实现自由空间至保偏光纤的光纤耦合效率。
优选地，所述HP旋转组合模块上设置有1/2波片和PBS，所述HP旋转组合模块包括转接座、安装1/2波片的旋转架、安装PBS的安装台、转接PBS安装台的旋转架，所述安装1/2波片的旋转架与转接PBS安装台的旋转架通过螺钉固定在所述转接座上；
光束依次通过1/2波片和PBS，旋转所述安装1/2波片的旋转架实现PBS透射和反射方向的分光比；
旋转所述转接PBS安装台的旋转架实现PBS反射光束的俯仰方向调节，旋转所述转接座实现PBS反射光束的水平方向调节。
本发明的应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置相比现有技术具有如下有益效果：
本发明通过HP旋转组合模块、竖置声光调制器与猫眼双次通过声光调制模块相结合实现约束光路走向，降低光高，用以提升冷原子喷泉钟光路稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置实施例的主激光光路图示意图；
图2为本发明应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置实施例的HP旋转组合模块示意图；
图3为本发明应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置实施例的竖置声光调制器图示意图；
图4为本发明应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置实施例的猫眼双次通过声光调制模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置，包括光纤耦合器、HP旋转组合模块与猫眼双次通过声光调制模块。用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由光纤耦合器准直输出到自由空间，经HP旋转组合模块进行分光，分为探测光、向上冷却光和向下冷却光，所述探测光、向上冷却光和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后，通过1/4波片和1/2波片组合后再入射到对应的光纤耦合器耦合进入保偏光纤，进而分别用作冷原子喷泉钟所需的探测光、向上冷却光和向下冷却光。
如图1所示，所述光纤耦合器包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器，所述HP旋转组合模块包括第一HP旋转组合模块、第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块，用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由所述第一光纤耦合器准直输出，然后依次经过所述第一HP旋转组合模块、第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块进行分光，所述第一HP旋转组合模块用于固定光纤出射激光的偏振态，使得所述第二HP旋转组合模块、第三HP旋转组合模块与第四HP旋转组合模块的分光比不会随入射光纤的偏振抖动而变化，所述第二HP旋转组合模块分出的反射光束用作探测光；所述第三HP旋转组合模块分出的反射光束用作向上冷却光，所述第四HP旋转组合模块分出的反射光束用作向下冷却光束；所述探测光、向上冷却光和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后，通过1/4波片和1/2波片组合后再分别入射到对应的第二光纤耦合器、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器进行耦合进入保偏光纤。
如图1和4所示，所述猫眼双次通过声光调制模块包括依次设置的竖直声光调制器401、透镜402、1/4波片403与反射镜404，所述1/4波片403用于调整光束的偏振方向，准直光束经所述竖直声光调制器401移频后产生偏转光束，传输透镜焦距距离后零级光束和+1级光束经所述透镜402聚焦，焦点位于所述反射镜404的镜面上，反射光按原路返回，通过所述透镜402和竖直声光调制器401后二次通过的+1级光束与入射光束重合。
如图3所示，一个竖直声光调制器401包括一个竖直转接座301与一个声光调制器302，所述竖直转接座301与声光调制器302固定连接，所述竖直转接座301通过旋转轴固定在光学平面上，并且所述竖直转接座围绕所述旋转轴转动。竖直声光调制器用于提供声光调制器的安装和调节功能，安装后的声光调制器通光孔中心高度通过调整竖置转接座的加工高度保持与光路装置的光高一致。利用前述的HP旋转组合模块和竖直声光调制器401可以实现上述功能并缩短光程，其中各部件的通光孔中心高度均通过调整安装转接座201的加工高度保持与光路装置的光高一致。
如图2所示，所述HP旋转组合模块包括转接座201、安装1/2波片的旋转架202、安装PBS的安装台203、转接PBS安装台的旋转架204，所述HP旋转组合模块用于提供准直光束的偏振分束功能与PBS反射方向的俯仰和水平偏转的调节功能。所述安装1/2波片的旋转架202与转接PBS安装台的旋转架204通过M4螺钉固定在所述转接座201上，用于调整所述转接座201的加工高度，使得安装后的所述安装1/2波片的旋转架202与转接PBS安装台的旋转架204通光孔中心高度通过调整所述转接座的加工高度保持与光路装置的光高一致。上述安装PBS的安装台203处于安装1/2波片的旋转架202与转接PBS安装台的旋转架204之间，在将安装1/2波片的旋转架202与转接PBS安装台的旋转架204固定在转接座201上的同时将安装PBS的安装台203固定设置。
优选地，所述光路装置按照标准光学平板固定孔中心的连线横平竖直布局，并且根据光路功能按最短距离布局光路。
具体地，本方面提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置，其中本发明的小型化主激光光路装置在一个600mm*225mm的标准25mm孔距光学平板上实现。整个光路沿光学平板上固定孔中心连线横平竖直布局，光高为27mm。由于预先设置了光路布局，降低了对光学调节架的调节范围和精度要求，取消了通用光学调节架中的弹簧调节机构，只需旋转相关器件可满足光路调节要求。图1中101～104为五轴光纤耦合器，105～111为HP旋转组合模块，112～114为竖置声光调制器，115～117为透镜，118～120为1/4波片，121～-123为反射镜，124～126为1/2波片+1/4波片组合。
稳频后主激光经保偏光纤传输至小型化主激光光路装置，由五轴光纤耦合器101准直输出，依次通过第一HP旋转组合模块105、第二HP旋转组合模块106、第三HP旋转组合模块107与第四HP旋转组合模块108。第一HP旋转组合模块105用于固定输入光的偏振方向，保证第二HP旋转组合模块106、第三HP旋转组合模块107与第四HP旋转组合模块108的分光比不会随入射光纤的偏振抖动而变化。第二HP旋转组合模块106、第三HP旋转组合模块107与第四HP旋转组合模块108依次反射出冷原子喷泉钟需要的探测光，向上冷却光和向下冷却光。
第二HP旋转组合模块106反射的探测光束经HP旋转组合模块109后，调节其上的1/2波片使入射光束全反，之后依次通过竖置声光调制器112，透镜115，1/4波片118，聚焦在反射镜121上反射，反射光束按原路返回到HP旋转组合模块109后，调节1/4波片118使双次通过声光调制器的光束全部透射。透射光经1/2波片+1/4波片组合124后由五轴光纤耦合器102或第二光纤耦合器102耦合进保偏光纤，传输至喷泉钟物理系统用作探测光。
第三HP旋转组合模块107反射的向上冷却光束经HP旋转组合模块110后，调节其上的1/2波片使入射光束全反，之后依次通过竖置声光调制113，透镜116，1/4波片119，聚焦在反射镜122上反射，反射光束按原路返回到HP旋转组合模块110后，调节1/4波片119使双次通过声光调制器的光束全部透射。透射光经1/2波片+1/4波片组合125后由五轴光纤耦合器103或第三光纤耦合器103耦合进保偏光纤，传输至喷泉钟物理系统用作向上冷却光。
第四HP旋转组合模块108反射的向下冷却光束经HP旋转组合模块111后，调节其上的1/2波片使入射光束全反，之后依次通过竖置声光调制114，透镜117，1/4波片120，聚焦在反射镜123上反射，反射光束按原路返回到HP旋转组合模块111后，调节1/4波片120使双次通过声光调制器的光束全部透射。透射光经1/2波片+1/4波片组合126后由五轴光纤耦合器104或第四光纤耦合器耦合进保偏光纤，传输至喷泉钟物理系统用作向下冷却光。
本发明还提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置的调整方法，包括如下步骤：
步骤一：主激光的准直和光高调节
将输出主激光的保偏光纤连接到第一光纤耦合器101上输出准直光束，调节光纤耦合器的准直透镜位置，优化光束准直度；
调整光纤耦合器的XY方向旋钮，确保光束在光路光高平面上与光学平板平行，并按光路光高要求沿光学平板固定孔中心连线布局；
步骤二：HP旋转组合模块调节
HP旋转组合包括一个转接座201、一个安装1/2波片的旋转架202、一个安装PBS的安装台203与一个转接PBS安装台的旋转架204。光束依次通过1/2波片和PBS，旋转安装1/2波片的旋转架202实现PBS透射和反射方向的分光比。旋转转接PBS安装台的旋转架204，实现PBS反射光束的俯仰方向调节，旋转转接座201则实现PBS反射光束的水平方向调节。根据PBS的特性，在一定范围调节反射光束的方向时，透射光束的方向基本不受影响。因为光路布局已经在光路调节之前确定，整个光路的调节机构调节范围都不需要太大，保证了利用HP旋转组合模块调节PBS反射光束方向的可行性和可靠性。
准直光束依次通过四个HP旋转组合模块105～108进行分光。第一HP旋转组合模块105将光纤输出光大部分调整为透射输出，用于固定光纤出射激光的偏振态，减少光纤偏振抖动对之后的HP旋转组合的偏振分光比的影响。第二HP旋转组合106模块分出的反射光束用作探测光；第三HP旋转组合模块107分出的反射光束用作向上冷却光，第四HP旋转组合模块108分出的反射光束用作向下冷却光。所有HP旋转组合的反射光束均需要按光路布局要求在固定光高上沿光学平板的固定孔中心连线横平竖直布局。
步骤三：竖置声光调制器调节
竖置声光调制器401包括声光调制器302与竖置转接座301，所述声光调制器302和竖置转接座301固定连接，所述声光调制器302的换能器中心位置通过所述竖置转接座301上的定位孔定位，固定在光路布局要求的光高上；
准直光束从水平方向入射到所述竖直声光调制器401，通过在竖置方向上旋转所述声光调制器302，在水平方向上旋转所述竖置转接座301，可以实现声光调制器302效率的优化。
步骤四：猫眼双次通过声光调制模块的调整
经过所述HP旋转组合模块分出的探测光、向上冷却光和向下冷却光将分别通过对应的所述猫眼双次通过声光调制模块实现激光的频率和幅度控制；
以探测光束为例，由第二HP旋转组合模块106分出的探测光，经过一个HP旋转组合模块109后反射光水平入射到一个竖置声光调制器112，分离出的+1级光(相对于水平方向有一定的偏转角，角度由声光调制器驱动频率确定)经过透镜115后在反射镜121镜面上聚焦。猫眼设计要求声光调制器302换能器中心到透镜115中心的距离，透镜115中心到反射镜121镜面之间的距离都等于透镜焦距，需要调节透镜115和反射镜121的位置优化距离。反射镜121反射的+1级光按原路返回后双次通过声光调制器302，并与入射光束重合回到HP旋转组合模块109，调节置于透镜115与反射镜121之间的1/4波片118可使双次通过声光调制器302之后的探测光在HP旋转组合模块109后透射。
上述向上冷却光和向下冷却光的猫眼双次通过声光调制模块的调节方法与探测光的猫眼双次通过声光调制模块的调节方法相同，如图1所示。
步骤五：自由空间至保偏光纤的光纤耦合调节
经过所述猫眼双次通过声光调制模块后由对应的HP旋转组合模块透射的探测光、向上冷却光和向下冷却光的自由空间光束需要耦合进对应的三根保偏光纤进行传输。
其中，每根保偏光纤的耦合包括一个五轴光纤耦合器、一个1/2波片和一个1/4波片，调节所述光纤耦合器的透镜焦距、俯仰、倾斜和XY方向，实现自由空间至保偏光纤的光纤耦合效率，调节1/2波片和1/4波片可以优化保偏光纤输出光的偏振消光比。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
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