阅读说明：本技术 一种冷原子干涉仪单激光器光源系统 (Cold atom interferometer single laser light source system ) 是由 杨俊� 王国超 朱凌晓 颜树华 郭熙业 王亚宁 吕梦洁 徐东洋 贾爱爱 李期学 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种冷原子干涉仪单激光器光源系统,包括：参考光路模块和光学移频模块；参考光路模块包括窄带宽激光器和稳频模块；所述光学移频模块包括第一电光调制器和第一窄带宽光纤滤波器,所述第一电光调制器和所述第一窄带宽光纤滤波器通过光纤连接；所述第一电光调制器与所述激光器光纤连接；所述第一电光调制器接收激光源的初始光,通过预设频率的调制信号对所述初始光进行调制,产生预设频率的边带；所述第一窄带宽光纤滤波器对所述电光调制器输出的光信号进行滤波,得到+1阶边带的移频光；所述移频光用于调制得到冷原子于涉仪的测控光。该激光系统低成本、低功耗、可移动、体积小,且可消除拉曼边带效应。(The invention provides a cold atom interferometer single laser light source system, comprising: the device comprises a reference light path module and an optical frequency shift module; the reference optical path module comprises a narrow bandwidth laser and a frequency stabilization module; the optical frequency shift module comprises a first electro-optical modulator and a first narrow-bandwidth optical fiber filter, and the first electro-optical modulator and the first narrow-bandwidth optical fiber filter are connected through an optical fiber; the first electro-optical modulator is connected with the laser optical fiber; the first electro-optical modulator receives initial light of a laser source, modulates the initial light through a modulation signal with a preset frequency, and generates a sideband with the preset frequency; the first narrow-bandwidth optical fiber filter filters an optical signal output by the electro-optical modulator to obtain frequency shift light of a +1 order sideband; and the frequency shift light is used for modulating to obtain the measurement and control light of the cold atom interferometer. The laser system has low cost, low power consumption, mobility and small volume, and can eliminate the Raman sideband effect.)

一种冷原子干涉仪单激光器光源系统

技术领域

本发明属于基于冷原子干涉技术的量子精密测量领域，具体涉及一种冷原子干涉仪单激光器光源系统。

背景技术

原子干涉技术以原子物质波特性为研究手段，广泛应用于精密测量领域，如高精度旋转角速度、重力加速度和万有引力常数等物理量测量等。在冷原子干涉仪中，冷原子作为测量敏感介质，相比于光学干涉等其他测量手段，冷原子具有自由演化时间长、原子团速度分布小、德布罗意波长较短和相对质量大等优势，使得冷原子干涉在空间和速度分布上具有更加良好的相干性，由此也具有更高的测量灵敏度、精度和长期稳定性。

在冷原子干涉过程中，需要通过原子激光冷却与囚禁、速度选择和初态制备得到目标的冷原子团，通过原子分束-反射-合束进行干涉，最后通过末态探测获得干涉条纹，提取出相关的测量信息。在此过程中，需要用到冷却光、回泵光、吹散光、拉曼光以及探测光等不同频率、功率的光，均由激光光源系统提供。为了满足原子干涉仪的实用化、商品化及可移动测量需求，需要设计结构简单、体积小、功耗低、稳定性好、集成化程度高、成本低的紧凑化激光系统。以往激光光源系统大多搭建在实验室光学平台上，无法满足可移动冷原子干涉仪可搬运和野外实用化的需求。近年来，为了实现工程模块化的激光系统，多个冷原子干涉仪小组进行了探索研究。目前，模块化的集成激光光源系统可分为两种方案，一种为多激光器光源系统，另一种为单激光器光源系统。

多激光器光源系统一般采用参考激光器通过稳频方法锁定在参考频率上，然后利用光学锁相环技术将多个激光器同时或分时锁定在参考激光器上，进而产生多种频率的激光输出。典型的多激光器系统如德国洪堡大学研制的用于空间冷原子干涉仪的高可靠多激光系统，(SchkolnikV,Hellmig O,WenzlawskiA,et al.A compact and robust diodelaser system for atom interferometry on a sounding rocket[J].Applied PhysicsB,2016,122(8):217.)，该系统使用了4个自由空间780nm激光器，设计了小型化光学器件并采用层叠式设计，在一定程度上能够减小系统的体积，但所需器件较多，成本较高，功耗较大，且可调试性较差，在前期光路搭建中需要大量精力进行光路对准操作。此外，比较成熟的还有法国宇航局研制的双激光器光源系统，(Theron F,Bidel Y,Dieu E,etal.Frequency-doubled telecom fiber laser for a cold atom interferometer usingoptical lattices[J].Optics Communications,2017,393:152-155.)，该系统采用1560nm激光器和光纤倍频技术产生，技术成熟度高，且无需空间光学对准，降低了系统搭建的难度，但存在体积较大、功耗较高的缺点。此外，多激光器系统由于激光源击穿而导致系统故障的风险更大。

单激光器光源系统方案能省去多台激光器的成本和空间，在原子干涉激光系统工程化上具有较大吸引力。根据操控原子干涉的光学频率需求，单激光器光源系统一般需要采用一定方法获得可调频的激光输出，即根据不同频率光的需求改变初始光频率，再通过相位调制器产生边带，进而产生多种频率的激光输出。典型的单激光器系统如法国宇航局研制的基于1560nm光纤激光器的可用于星载原子干涉测量的单激光系统(Theron F,Carraz O,Renon G,et al.Narrow linewidth single laser source system foronboard atom interferometry[J].Applied Physics B,2015,118(1):1-5.)，该系统利用相位调制器产生边带并将+1阶边带锁定在原子跃迁谱线上，通过改变施加在相位调制器上的调制频率进而改变激光器的输出频率，替代双激光器系统中的从激光器和光学锁相环，后续再通过相位调制器产生边带，最后通过倍频器件获得目标光。该系统仅通过单激光器实现了原子干涉过程中的所有光，并采用1560nm光纤光学器件，能够提高系统集成化，减小系统体积，但由于在系统实现过程中需要对激光器频率进行跳频，对锁频系统和激光器调频带宽提出了很高的要求，且锁频效果不佳。此外，武汉物数所也提出了紧凑型单激光器系统，(Fang Jie,Hu Jiangong,et al.Realization ofa compact one-seed laser systemfor atom interferometer-based gravimeters.[J].Optics Express,2018.)，该系统使用780nm激光器作为种子源，也是利用相位调制器产生边带并将+1阶边带锁定在原子跃迁谱线上，后续再通过相位调制器产生边带获得目标频率光，但780nm波段光学器件不成熟，成本高，集成化程度低。且上述激光系统方案在产生拉曼光时均存在边带效应，对原子干涉精度有较高影响。

因此，为了解决现有原子干涉激光系统存在的技术问题，急需设计一种低成本、低功耗、可移动、体积小、消除拉曼边带效应的集成化单激光器光源系统。

发明内容

为解决上述现有原子干涉激光系统存在的技术问题，本发明提出了一种冷原子干涉仪单激光器光源系统，所述系统包括：

参考光路模块和光学移频模块；

参考光路模块包括激光器和稳频模块，所述参考光路模块用于提供频率稳定以及窄带宽的激光源；

所述光学移频模块包括第一电光调制器和第一窄带宽光纤滤波器，所述第一电光调制器和所述第一窄带宽光纤滤波器通过光纤连接；所述第一电光调制器与所述激光器光纤连接；

所述第一电光调制器接收激光源的初始光，通过预设频率的调制信号对所述初始光进行调制，产生预设频率的边带；

所述第一窄带宽光纤滤波器对所述电光调制器输出的光信号进行滤波，得到+1阶边带的移频光；所述移频光用于调制得到冷原子于涉仪的测控光。

进一步的，所述参考光路模块还包括分束器，所述分束器设置在激光器和稳频模块之间，分束器输出的一路光输入至稳频模块，另一路光输入至第一电光调制器。

进一步的，所述分束器还输出一路吹散光；所述吹散光通过光学控制开关控制。

进一步的，还包括单边带调制模块，所述光学移频模块与所述单边带调制模块通过光纤连接。

进一步的，所述单边带调制模块包括第二光电调制器和第二窄带宽光纤滤波器；所述第二电光调制器和所述第二窄带宽光纤滤波器通过光纤连接。

进一步的，所述第二窄带宽光纤滤波器均包括光学环形器、光栅、输入端、反射输出端和透射输出端，所述光学环形器分别与输入端、透射输出端和反射输出端相连，所述光栅设置在光学环形器与透射输出端之间。

进一步的，还包括光学放大器和声光调制器；所述单边带调制模块依次与光学放大器和声光调制器光纤连接。

进一步的，还包括功率控制模块，所述功率控制模块通过瞬时功率测控模块与声光调制器电信号连接，用于输出总功率稳定的光。

进一步的，还包括功率控制模块，所述功率控制模块通过本振源对光电调制器进行电压调制，用于输出功率比稳定的光。

进一步的，所述激光器为780nm的激光器或者1560nm的激光器；

所述激光器为1560nm的激光器时，所述参考光路模块和光学移频模块输出的参考光和测控光均需要通过光纤放大器和倍频晶体进行光学倍频后，将波长转化为780nm。

本发明具有以下有益效果：

(1)仅使用一个单频激光源最终实现了冷原子干涉所有激光频率输出，且激光器本身只需要输出固定频率用于跃迁谱线稳频，不需要跳频和扫频，降低了对激光器频率调制带宽需求和性能需求，扩大了单频激光源的选择范围，使调频范围小、带宽响应快、体积小和成本低的激光源成为可能。

(2)目前几乎所有的相位调制型光源系统都是以冷却光作为相位调制的基频光，频率变换复杂，本方案提出先通过移频产生回泵光和拉曼光的高频成分，以此为基频再利用相位调制产生冷却光和拉曼光低频成分，创新了冷却光和回泵光、一对拉曼光的产生机制，降低了频率操控的复杂度，提高了系统的稳定性。

(3)在激光器频率锁定基础上，采用第一电光调制器EOM1和第一窄带宽光纤滤波器NBOF1实现GHZ量级大移频，代替多激光器系统中从激光器和锁相环的功能，能够有效减小系统体积、成本及功耗。

(4)采用第二电光调制器EOM2和第二窄带宽光纤滤波器NBOF2实现单边带拉曼光的产生，通过第二窄带宽光纤滤波器NBOF2滤除了相位调制产生的多余边带成分，有效消除了相位调制产生拉曼光带来的拉曼边带效应，提高了原子干涉测量精度。

(5)引入功率稳定模块，巧妙利用稳频激光频率和一对拉曼光的拍频探测及信号处理来反馈调整调制深度，实现对拉曼光功率比的高效、低成本、精细化稳定控制，减小斯塔克效应，特别是光强波动和拉曼光功率比波动等引发的原子能级抖动，降低其对原子干涉测量精度和长期稳定性的影响。

(6)本发明提供的用于原子干涉仪的光学系统主要采用处于1560nm通信波段或者780nm通信波段的光纤器件，可集成化程度高、成本低、体积小，且仅采用单激光源，利用光路复用的方法，产生冷原子干涉仪需要的所用激光，具有高集成、低成本、低功耗、可移动的特点，对高精度原子干涉测量的激光系统工程化实现具有重要意义和实用价值。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明基于电光调制的冷原子干涉仪单激光器光源系统的结构示意图；

图2是⁸⁷Rb原子干涉仪测量过程示意图；

图3是⁸⁷Rb D2线能级及系统激光频率示意图；

图4是本发明优选实施例⁸⁷Rb原子干涉仪的集成化全光纤单激光源光学的系统图；

图5是各输出光频率关系及NBOF1和NBOF2的带宽覆盖范围示意图；

图6是窄带宽光纤滤波器结构示意图；

图7是光分复用时冷却光、回泵光及拉曼光产生过程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所述，一种冷原子干涉仪单激光器光源系统，所述系统包括：

参考光路模块和光学移频模块；

参考光路模块包括激光器和稳频模块，所述参考光路模块用于提供频率稳定以及窄带宽的激光源；

所述光学移频模块包括第一电光调制器和第一窄带宽光纤滤波器，所述第一电光调制器和所述第一窄带宽光纤滤波器通过光纤连接；所述第一电光调制器与所述激光器光纤连接；

所述第一电光调制器接收激光源的初始光，通过预设频率的调制信号对所述初始光进行调制，产生预设频率的边带；

所述第一窄带宽光纤滤波器对所述电光调制器输出的光信号进行滤波，得到+1阶边带的移频光；所述移频光用于调制得到冷原子于涉仪的测控光。

因为目前几乎所有的相位调制型光源系统都是以冷却光作为相位调制的基频光，频率变换复杂，本方案提出通过移频产生用于调制得到冷原子于涉仪的测控光，具体为回泵光和拉曼光的高频成分，后续以此为基频可再利用相位调制产生冷却光和拉曼光低频成分，创新了冷却光和回泵光、一对拉曼光的产生机制，降低了频率操控的复杂度，提高了系统的稳定性。

另外，在激光器频率锁定基础上，采用第一电光调制器EOM1和第一窄带宽光纤滤波器NBOF1可实现GHZ量级大移频，代替多激光器系统中从激光器和锁相环的功能，能够有效减小系统体积、成本及功耗。

在一个实施例中，所述参考光路模块还包括分束器，所述分束器设置在激光器和稳频模块之间，分束器输出的一路光输入至稳频模块，另一路光输入至第一电光调制器。

所述分束器还输出一路吹散光；所述吹散光通过光学控制开关控制。

在一个实施例中，还包括单边带调制模块，所述光学移频模块与所述单边带调制模块通过光纤连接。具体的，所述单边带调制模块包括第二光电调制器和第二窄带宽光纤滤波器；所述第二电光调制器和所述第二窄带宽光纤滤波器通过光纤连接。所述单边带调制模块还包括光学放大器和声光调制器；所述单边带调制模块依次与光学放大器和声光调制器光纤连接。

如图6所述，所述第一窄带宽光纤滤波器和第二窄带宽光纤滤波器均包括光学环形器、光纤布拉格光栅、输入端、反射输出端和透射输出端，所述光学环形器分别与输入端、透射输出端和反射输出端相连，所述光栅设置在光学环形器与透射输出端之间。所述光学环形器是一种多端口非互易光学器件，入射光只能在光学环形器内沿一个方向传播。

采用第二电光调制器EOM2和第二窄带宽光纤滤波器NBOF2可实现单边带拉曼光的产生，通过第二窄带宽光纤滤波器NBOF2滤除了相位调制产生的多余边带成分，有效消除了相位调制产生拉曼光带来的拉曼边带效应，提高了原子干涉测量精度。

在一个实施例中，还包括功率控制模块，所述功率控制模块通过瞬时功率测控模块与声光调制器电信号连接，用于输出总功率稳定的光。所述功率控制模块还可通过本振源对光电调制器进行电压调制，用于输出功率比稳定的光。

本发明通过引入功率稳定模块，巧妙利用稳频激光频率和一对拉曼光的拍频探测及信号处理来反馈调整调制深度，可实现对拉曼光功率比的高效、低成本、精细化稳定控制，减小斯塔克效应，特别是光强波动和拉曼光功率比波动等引发的原子能级抖动，降低其对原子干涉测量精度和长期稳定性的影响。

具体的，所述激光器为780nm的激光器或者1560nm的激光器。当所述激光器为1560nm的激光器时，所述参考光路模块和光学移频模块输出的参考光和测控光均需要通过光纤放大器和倍频晶体进行光学倍频后，将波长转化为780nm。

本发明仅使用一个单频激光源最终实现了冷原子干涉所有激光频率输出，且激光器本身只需要输出固定频率用于跃迁谱线稳频，不需要跳频和扫频，降低了对激光器频率调制带宽需求和性能需求，扩大了单频激光源的选择范围，使调频范围小、带宽响应快、体积小和成本低的激光源成为可能。

⁸⁷Rb原子干涉测量过程如图2所示，包括原子冷却与囚禁、初态制备、原子干涉、原子末态探测四个步骤，对应冷却光、回泵光、吹散光、拉曼光、探测光等多个不同频率、功率的激光输出，而这些光由集成光源系统产生输出。图3为⁸⁷Rb D2线能级及系统激光频率示意图，⁸⁷Rb原子干涉仪测量过程中所需的激光，包括冷却光、回泵光、吹散光、拉曼光、探测光。冷却光和回泵光是磁光阱中用于原子冷却的两束激光，将冷却光频率设定在距离|5²S_1/2,F＝2>→|5²S_3/2,F′＝3>红失谐δ＝2Γ～6Γ处(其中Γ为自然线宽，频率约为6MHz)。由于部分|F＝2>原子在冷却光的作用下跃迁至|F′＝2＞能级从而跃迁回|F＝1＞的“暗态”，于是增加|5²S_1/2,F＝1＞→|5²S_3/2,F′＝2＞共振回泵光，将暗态原子重新泵浦到|F＝2>态，构成完备的冷却循环。吹散光频率设定在|5²S_1/2,F＝2>→|5²S_3/2,F′＝3>处，用于将残留到F＝2的原子全部吹走，仅留下|F＝1,m_F＝0＞的原子参与之后的干涉，在使用过程中，吹散光为行波，因此无法与其余光共用后续光路，需要单独输出和开关控制。拉曼光频率设定在|5²S_1/2,F＝1>→|5²S_3/2,F′＝1>和|5²S_1/2,F＝2>→|5²S_3/2,F′＝1>红失谐Δ处，频率差为6.834GHz，用于和原子相互作用实现双光子受激跃迁，线宽要求在100kHz以内，且相位差需锁定在恒定值。探测光与吹散光的频率相同，用于探测原子探测光为驻波。如图2所示，在原子干涉过程中，随时间的变化通过时序控制装置实现激光光源系统不同频率、功率的激光输出。

在一个具体实施例中，⁸⁷Rb原子干涉仪的集成化全光纤单激光源光学系统图如图4所示，可以分成两个模块：参考光路模块和测控光路模块。

参考光路模块包括激光源1560nm激光器、第一掺铒光纤放大器EDFA1、第一倍频晶体PPLN1、光学控住开关OS及稳频模块，用于激光器频率稳定和输出吹散光，以及为后续测控光路模块提供稳定、窄带宽激光源。1560nm激光器经第一掺铒光纤放大器EDFA1进行功率放大，再经第一分束器FS1分为两束，一束用于后续测控光路模块，另一束输入到PPLN1中倍频得到780nm激光。780nm输出的激光又经过第二分束器FS2分成两束，一束作为稳频模块的输入光将激光器倍频后的780nm光锁定在⁸⁷Rb的F＝2→F’＝3的跃迁谱线上，另一束与光学控住开关OS连接后直接作为吹散光输出，光学控住开关OS用于控制吹散光的输出。

测控光路模块具有光分复用的特点，可用于除吹散光外所有激光(如冷却光、回泵光、拉曼光和探测光等)的输出(如图7所示)。测控光路模块由第一电光调制器EOM1和第二电光调制器EOM2、第一窄带宽光纤滤波器NBOF1和第二窄带宽光纤滤波器NBOF2、第二掺铒光纤放大器EDFA2和第三掺铒光纤放大器EDFA3、声光调制器AOM、第二倍频晶体PPLN2、功率稳定模块和瞬时功率测控模块组成。如图4所示，激光源输出频率为f₀/2，通过第一本振源LO1对EOM1施加频率为f₁高频信号产生边带，NBOF1滤出EOM1的+1阶边带，二者将激光源的输出频率移频到目标位置，再经EDFA2进行功率放大，输入到EOM2中，通过第二本振源LO2施加频率为f₂的高频信号，并通过NBOF2滤出目标激光，经EDFA3进行信号功率放大，AOM用于输出激光的功率控制及开关，最后经PPLN2进行倍频输出目标激光。通过瞬时功率测控模块测量输出的激光功率与目标功率比较，对AOM进行反馈控制，可以控制输出信号的总功率，由于在拉曼光输出阶段对一对拉曼光的有着严格的要求，因此通过功率稳定模块对第二本振源LO2的调制电压进行控制，达到功率比的稳定。该系统可用于为冷原子干涉仪提供所需的冷却光、回泵光、吹散光、探测光、拉曼光1、拉曼光2等不同频率、不同功率的激光。

为了更加形象的理解该激光系统在原子干涉过程中的工作流程，按照图2中原子干涉仪的工作时序介绍激光系统在各阶段的激光输出。

在原子冷却阶段，需要同时输出冷却光和回泵光。冷却光与回泵光的产生过程如图4所示，从参考光路分出的1560nm激光输入到EOM1中，通过第一本振源LO1对EOM1施加频率f₁＝6.4GHz的调制信号，输入到窄带宽光纤滤波器NBOF1中，NBOF1的输出带宽范围如图5所示，将EOM1产生的+1阶边带滤出，经EDFA2放大后作为载波光输入到EOM2中，通过第二本振源LO2对EOM2施加频率f₂＝6.4GHz的调制信号，调制光输入到NBOF2中，NBOF2的带宽范围较大，其输出带宽范围如图5所示，滤出载波和-1阶边带，经过EDFA3放大、PPLN2倍频后能够得到作为载波的回泵光和作为-1阶边带的冷却光，当冷却光需要进行扫频时，调节EOM2的调制频率f₂，即可对其进行扫频。

在初态制备阶段，需要先输出拉曼光然后再输出吹散光。拉曼光的产生过程如图4所示，改变施加在EOM1上电压的频率，通过第一本振源LO1对EOM1施加频率为f₁＝5.484GHz的调制信号，使EOM1产生5.484GHz的边带，经NBOF1后可以得到EOM1的+1阶边带，将其经EDFA2放大后输入到EOM2中，通过第二本振源LO2对EOM2施加频率f₂＝6.834GHz的调制信号，输入到NBOF2中，NBOF2的带宽范围较大，其输出带宽范围如图5所示，滤出载波和-1阶边带，能够得到一对拉曼光，后经EDFA3功率放大，PPLN2倍频得到目标拉曼光，当需要对拉曼光进行扫频时，通过第二本振源LO2调节EOM2的调制频率f₂，即可对其进行扫频。然后控制AOM，关闭拉曼光的输出，开启参考光路模块的光学控制开关OS，输出吹散光。

在原子干涉阶段，需要按照π/2-π-π/2的规律输出拉曼光。关闭光学控住开关OS，调节AOM，打开测控光路模块，使其按规律输出拉曼光。

在末态探测阶段，需要按照探测光-回泵光-探测光的规律输出。此时，通过第一本振源LO1对EOM1施加频率f₁＝6.4GHz的调制信号，输入到窄带宽光纤滤波器NBOF1中，将EOM1产生的+1阶边带滤出，将其输入到EOM2中，通过第二本振源LO2对EOM2施加频率f₂＝6.4GHz的调制信号，调节EOM2调制信号的调制深度，使得载波光功率为0，此时输出探测光，再次调节EOM2的调制深度，使得-1阶边带光功率为0，此时输出回泵光，最后再次调节EOM2调制信号的调制深度，使得载波光功率为0，输出探测光，则可实现探测光-回泵光-探测光的规律输出。

如图5所示，在本发明中参考光的频率位于拉曼光1的频率和拉曼光2的频率之间，频差分别为2.7GHz和4.134GHz，因此可以作为起拍光与一对拉曼光进行拍频，后续通过电子学模块对两对拍频信号的功率进行监测，进而对拉曼光1和拉曼光2的功率比进行反馈控制，巧妙地实现了拉曼光功率比的测控。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。