阅读说明：本技术 一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生方法及系统 (Cold atom interference phase modulation type single-sideband Raman light generation method and system ) 是由 王国超 朱凌晓 吕梦洁 杨俊� 颜树华 郭熙业 贾爱爱 王亚宁 李期学 张旭 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相位调制型单边带拉曼光产生方法及系统,所述系统包括激光器、电光调制器、本振源、窄带宽光纤滤波器、光纤放大器和倍频晶体；激光器产生频率为ω的激光作为激光源输入至电光调制器,本振源对电光调制器施加频率为δ的调制电压,所述电光调制器输出频率为ω±nδ(n＝0,1,2,...)的双边带调频光,双边带调频光输入至与目标频率光匹配的窄带宽光纤滤波器,所述窄带宽光纤滤波器输出目标频率激光,目标频率激光依次输入至光纤放大器和倍频晶体,经过倍频晶体输出冷原子干涉单边带拉曼光。本发明提供的拉曼光产生系统器件结构简单、成本低、集成度高、易于实现,且成熟度高稳定性好,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。(The invention provides a cold atom interference phase modulation type single-sideband Raman light generation method and a system, wherein the system comprises a laser, an electro-optic modulator, a local vibration source, a narrow-bandwidth optical fiber filter, an optical fiber amplifier and a frequency doubling crystal; the laser generates laser with frequency omega, the laser is used as a laser source and input to an electro-optical modulator, the local vibration source applies modulation voltage with frequency delta to the electro-optical modulator, the electro-optical modulator outputs double-sideband frequency modulated light with frequency omega +/-n delta (n is 0,1,2,..) and is input to a narrow-bandwidth optical fiber filter matched with target frequency light, the narrow-bandwidth optical fiber filter outputs target frequency laser, the target frequency laser is sequentially input to an optical fiber amplifier and a frequency doubling crystal, and cold atom interference single-sideband Raman light is output through the frequency doubling crystal. The Raman light generation system device provided by the invention has the advantages of simple structure, low cost, high integration level, easiness in realization, high maturity, good stability and great significance and practical value in the engineering realization of a laser system for high-precision atomic interference measurement.)

一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生方法及系统

技术领域

本发明涉及激光频率转换技术领域，特别地，涉及一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生方法及其系统。

背景技术

利用原子物质波干涉特性可以构造原子干涉仪进行物理量的精密测量。原子干涉仪具有极高的测量精度和灵敏度，在空间和速度分布上具有更加良好的相干性，目前已普遍应用于高精度旋转角速度、重力加速度和重力梯度的测量，及精细结构常数、等效原理、引力波、广义相对论等基础物理的研究。

在基于双光子受激拉曼跃迁的冷原子干涉系统中，需要利用制备的拉曼光对原子进行分束、反转和合束干涉操作，拉曼光的性能直接决定原子干涉测量结果的精度、灵敏度及原子干涉仪的可靠度、集成化程度。目前，一般直接采用780nm激光器作为产生铷原子干涉所需各种操控光的种子光源，但780nm光学器件发展不够成熟，器件阈值能量低容易损坏，且器件价格昂贵；采用1560nm激光器作为种子源，1560nm波段处于通信波段，器件技术成熟度高、价格低、集成度高。目前，产生拉曼光的方法主要有三种，分别是光学锁相合成法、光学移频合成法和电光相位调制法。光学锁相合成法基于光学相干锁相技术，通过将主从激光器的拍频锁定，然后将主从激光进行空间合成，进而获得两束固定频差的相干拉曼光；光学移频合成法是将基频激光通过声光移频器进行多次移频后，再与原光束进行空间光束合成获得拉曼光。电光相位调制法利用激光通过电光相位调制器产生等频率间隔、同偏振和光强可调的零级和边带混合的相干光，将其零级及+1级边带作为拉曼光，从而实现拉曼光的高相干和低相噪要求。相对其他两种方法，电光相位调制法的优点是不仅系统结构简单、易于集成、技术成熟度高、全光纤、效率高，同时所产生的拉曼光具有偏振一致、光学相干和自然低噪的特点，是目前最具工程化实用价值的拉曼光产生方法。但目前电光相位调制法也存在缺陷和不足，表现在普通的电光相位调制会在基频光的左右两边产生双边带，由此带来拉曼边带效应，这将影响原子干涉条纹对比度和引起相位测量误差。尽管目前提出了基于IQ调制原理的等效化单边带调制方法，但是只是解决了双向调制的问题，仍可能存在其他边带效应，边带抑制的效果有待进一步改善，而且IQ调制器件成本高、稳定性差、系统复杂，很难实现长时间的稳定控制，难以满足高精度和高稳定性的实际工程化应用要求。

目前，为了消除电光相位调制法的边带效应，研究者们提出了一些方法，主要包括谐振腔滤波法、方解石晶体调偏振法等，但都存在着一定问题。谐振腔滤波法利用F-P腔对电光调制后的激光进行滤波，通过设置F-P腔的自由光谱值可以将载波滤除，将阶边带作为一对拉曼光，但该方法结构复杂，无法集成到光纤器件中，且±1阶边带光强相同，无法调节拉曼光功率比，基本难以应用到原子干涉实验中。方解石晶体调偏振法是将相位调制器输出光输入到方解石晶体中并通过反射多次经过晶体，使得载波和边带产生不同的偏振变化，即-1阶边带具有垂直线偏振，+1边带具有水平线偏振，而载波具有圆偏振，光束通过水平偏振器，仅留下载波和+1边带。该方法对光准直入射要求较高，需要多次经过方解石晶体，结构复杂，对环境条件要求苛刻，且存在耦合效率低的问题。

因此，以电光相位调制产生拉曼光为技术实现，提出集成化、低成本、简单有效的单边带拉曼光产生新方法，对铷原子量子干涉精密测量意义显著。

发明内容

本发明目的在于提供一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统，以解决采用电光相位调制法制备的拉曼光容易产生边带效应，进而影响原子干涉条纹对比度以及引起相位测量误差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统，包括激光器、电光调制器、本振源、窄带宽光纤滤波器、光纤放大器和倍频晶体；

所述激光器产生频率为ω的激光作为激光源输入至电光调制器，所述本振源对电光调制器施加频率为δ的调制电压，所述电光调制器输出频率为ω±nδ的双边带调频光，其中，n＝0,1,2,...；双边带调频光输入至与目标频率光匹配的窄带宽光纤滤波器，所述窄带宽光纤滤波器输出目标频率激光，所述目标频率激光依次输入至光纤放大器和倍频晶体后输出单边带拉曼光。

进一步的，所述激光器通过锁频模块将频率锁定到一个高稳定度的光学频率基准上。

进一步的，所述窄带宽光纤滤波器包括光学环形器、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，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单向传播。

进一步的，所述光栅为光纤布拉格光栅。

进一步的，所述双边带调频光通过入射端进入光学环形器，不符合布拉格条件的光波信号经过光纤布拉格光栅透射，从透射输出端输出；符合布拉格条件的光波信号被光纤布拉格光栅反射，从反射输出端输出，得到目标频率激光。

本发明还提供了上述的一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统产生单边带拉曼光的方法，包括以下步骤：

拉曼边带产生：激光器产生频率为ω的激光作为激光源输入至电光调制器，同时对电光调制器施加频率为δ的调制电压，所述电光调制器输出频率为ω±nδ的双边带调频光，其中，n＝0,1,2,...；

多余边带滤除：将所述电光调制器输出的双边带调频光输入至与目标频率光匹配的窄带宽光纤滤波器中，滤除除目标频率光匹配外的其余边带光，输出目标频率激光；

倍频：将所述目标频率激光先通过光纤放大器进行功率放大后再通过倍频晶体进行倍频，倍频后输出的光即为单边带拉曼光。

本发明还提供了一种冷原子干涉仪，其采用上述的一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统产生的拉曼光。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种冷原子干涉单边带拉曼光产生方法，在利用电光相位调制法和光学倍频产生相干拉曼光的机制中，在相位调制的后端，利用通信波段的窄带宽光纤滤波器滤除原子干涉过程中不需要的边带成分，只保留基频光和相邻的边带光这两个目标频率成分，达到比较干净的边带调制效果，得到单边带调制光，最后通过倍频转化，得到单边带目标拉曼光。另外，当用于冷原子干涉的拉曼光和冷却光分时复用时，进入相位调制器的种子光还需要进行跳频和扫频处理，本发明方法通过设置合适的窄带宽滤波器参数，还可以同时满足提供原子冷却时的冷却光的频率变化需要，实现光路的复用，提高激光系统的集成度。

本发明提供的拉曼光产生系统不仅器件结构简单、成本低、集成度高、易于实现，而且成熟度高、稳定性好，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是电光相位调制光的频域模型；

图2是窄带宽光纤滤波器结构示意图；

图3是窄带宽光纤滤波器光谱示意图；

图4是本发明提供的冷原子干涉单边带拉曼光产生系统图。

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。

拉曼光产生的原理如下：

激光源输出激光随时间变化的电场强度E(t)可以表示为E(t)＝Ee^iωt，其中E为电场强度幅值，ω为激光频率，将其输入到电光相位调制器中，对电光调制器施加频率为δ的调制信号，对应得到电光调制器的调制频率为δ，调制深度为β。由非线性晶体的一级电光效应，调制后光的调频光可以表示为：

其中，E₀为经过电光相位调制器后的电场强度幅值，J₀(β)为第0阶贝塞尔函数，J_n(β)为第n阶贝塞尔函数，为经过电光调制器后的相移，t为时间。

图1为电光相位调制光的频域模型，经电光调制器后可以得到频率为ω±nδ(n＝0,1,2,...)，幅值为E₀·J_n(β)的一系列输出光。产生拉曼光仅需要调频光的载波(频率为ω)和正一阶边带(频率为ω+δ)，而多余的拉曼激光边带使原子发生拉曼跃迁并由此产生拉曼边带效应，从而对冷原子重力仪的绝对精度产生较大影响，因此需要将电光调制器输出的调频光输入到窄带宽光纤滤波器中进行光学滤波。

窄带宽光纤滤波器是本发明中的重要器件，它是在光纤纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。窄带宽光纤滤波器结构如图2所示，其结构包括光学环形器、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。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。所述光学环形器包括输入端端口、反射输出端端口和透射输出端端口，所述透射输出端端口与通过光栅与透射输出端相连。所述光栅为光纤布拉格光栅(简称FBG)。光栅包括了无数个可反射特定波长反射点，通过精准匹配两个反射点距离，可输出目标信号。具体为，所述双边带调频光通过入射端从输入端端口进入光学环形器，不符合布拉格条件的光波信号经过光纤布拉格光栅透射，从透射输出端输出；符合布拉格条件的光波信号被光纤布拉格光栅反射，从反射输出端端口输出，得到目标频率激光。所述窄带宽光纤滤波器的主要参数为：初始折射率n、光致折射率微扰值Δn、光栅栅距Λ、光栅区长度L。

图3为窄带宽光纤滤波器的光谱示意图的透射反射曲线图，图中实线为窄带宽光纤滤波器的反射曲线，虚线为窄带宽光纤滤波器的透射曲线。可以看出波长范围在内的激光经FBG后几乎全部反射，在其余波长处基本不被反射，其中λ为FBG反射中心波长，Δλ为反射曲线半高全宽，即损耗为-3dB时对应的曲线带宽。如图3所示，通过设计合适的中心波长和反射谱带宽，可以将电光调制器中的0阶边带和+1阶边带即拉曼1和拉曼2处于反射谱的中心，其余边带均被滤除。

FBG反射中心波长λ由光栅栅距Λ决定，二者关系为：

λ＝2nΛ

反射谱半高全宽Δλ与FBG光致折射率微扰值Δn及光栅区长度L的表达式为：

通过设计初始折射率n、光致折射率微扰值Δn、光栅栅距Λ、光栅区长度L等参数使得仅电光调制器载波和正一阶边带处于FBG反射谱带宽内，其余边带均被滤除。

经窄带宽光纤滤波器后得到频率为ω、ω+δ的激光，此时将其输入到光纤放大器EDFA进行放大后再经过倍频晶体PPLN进行倍频，获得频率为2ω，2ω+δ,2(ω+δ)的输出光，频率为2ω，2ω+δ的一对激光即为冷原子干涉过程中所需的单边带拉曼光。因为频率为2ω+2δ的边带光虽与频率为2ω+δ的光也能形成平行的一对拉曼光，但是由于频率存在大失谐，因此通过合理选择拉曼脉冲的强度等光参数可基本消除其影响，可忽略不计。

如图4所示，一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统，包括激光器、电光调制器、本振源、窄带宽光纤滤波器、光纤放大器和倍频晶体；

所述激光器产生频率为ω的激光作为激光源输入至电光调制器，所述本振源对电光调制器施加频率为δ的调制电压，所述电光调制器输出频率为ω±nδ(n＝0,1,2,...)的双边带调频光，双边带调频光输入至与目标频率光匹配的窄带宽光纤滤波器，所述窄带宽光纤滤波器输出目标频率激光，目标频率激光依次输入至光纤放大器和倍频晶体，经过倍频晶体输出单边带拉曼光。

具体的，所述目标频率激光包括频率为ω的载波光和频率为ω+δ的正一阶边带光；

所述单边带拉曼光包括频率为2ω，和2ω+δ的光。

在一个具体实施例中，所述激光器通过锁频模块将频率锁定到一个高稳定度的光学频率基准上。

所述窄带宽光纤滤波器包括光学环形器、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。

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单向传播。所述光学环形器包括输入端端口、反射输出端端口和透射输出端端口，所述透射输出端端口与通过光栅与透射输出端相连。所述光栅为光纤布拉格光栅。光栅包括了无数个可反射特定波长反射点，通过精准匹配两个反射点距离，可输出目标信号。具体为，所述双边带调频光通过入射端从输入端端口进入光学环形器，不符合布拉格条件的光波信号经过光纤布拉格光栅透射，从透射输出端输出；符合布拉格条件的光波信号被光纤布拉格光栅反射，从反射输出端端口输出，得到目标频率激光。

采用上述一种冷原子干涉相位调制型单边带拉曼光产生系统产生单边带拉曼光的方法，包括拉曼边带的产生、多余边带的滤除、倍频三个步骤，具体如下：激光器产生频率为ω的激光作为激光源输入至电光调制器，本振源对电光调制器(EOM)施加频率为δ的调制电压，所述电光调制器输出频率为ω±nδ(n＝0,1,2,...)的双边带调频光，其中所需的目标频率为输出的载波光ω和正一阶边带光ω+δ。将所述电光调制器输出的双边带调频光输入至与目标频率光匹配的窄带宽光纤滤波器中，将除载波光和正一阶边带光外的其余边带光滤除，此时窄带宽光纤滤波器的输出光即为目标频率激光。再将所述目标频率激光先通过光纤放大器进行功率放大，之后通过倍频晶体进行倍频，倍频后输出的光即为单边带拉曼光。

本发明以铷元素冷原子干涉仪为案例，采用频率锁定的波长精确值为1560.500nm激光器作为激光源。由于所需拉曼光间隔为6.834GHz，对电光相位调制器施加频率为6.834GHz(对应波长为55pm)的正弦波信号，获得载波波长为1560.500nm，波长间隔为55pm的一系列输出光。设置窄带宽光纤滤波器中心波长为1560.470nm，带宽为80pm，通过窄带宽光纤滤波器后仅剩余载波和+1阶边带，对应波长为1560.500nm和1560.445nm，倍频后得到780.250nm、780.236nm的目标输出拉曼光。

本发明方法巧妙的利用了窄带宽光纤滤波器对不同波长光的反射率不同的特点，消除了电光调制器产生的多余边带，相比于其他消除边带效应的方法，该方法能够耦合进光纤系统中，可行性强，方案简单，集成化高，且降低了实现成本，为消除边带效应提供了实用化、创新性的巧妙解决方法。另外，通过设置合适的光纤滤波器的中心波长及带宽，还可以满足跳频要求，得到原子冷却时所需的冷却光，即使得拉曼光进行较小的移频后得到的冷却光所在频率仍能处于光纤滤波器的反射谱带宽内，实现光路的复用，提高激光系统的集成度。

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。