一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，装置包括激光光源、分束器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器和移相器；本发明专利技术实现了拉曼激光系统中相位差的自动调节和补偿，降低了拉曼激光系统光路振动引起的相位噪声。本发明专利技术通过采用电路控制方式，实现了控制系统的集成化、模块化和易于调试等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法
本专利技术涉及一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，属于原子干涉仪

技术介绍
原子干涉仪是基于物质波干涉原理，利用激光对冷原子束进行分束、反射、合束从而实现原子的干涉。原子干涉仪可以精密测量物理常数，检验量子力学和广义相对论等基本物理理论。由于原子具有质量，原子干涉仪还可以作为灵敏的惯性传感器，可精确测量重力加速度、角速度等，从而在导航、探矿、地震预报、环境监察方面有重要应用。通常使用拉曼激光对原子束进行分束、反射以及合束。拉曼激光是两束具有固定频率差和相位差的激光。可以使用一个激光器产生激光，然后将其分为两束，在各自的路径上使用声光调制器和电光调制器对激光进行移频，获得具有固定频差的拉曼激光。这两束激光之间的相位差是否恒定对原子干涉仪的测量精度有很大的影响，因此降低拉曼激光系统的相位噪声尤为重要。光路中光学器件振动引起的相位噪声对拉曼激光系统的相位噪声有着一定的影响，为尽可能地降低拉曼激光系统的相位噪声，传统的方法是将激光系统进行被动隔振或利用加速度计测出振动噪声，最后在测量时进行补偿，显然上述补偿方法比较复杂，而且还需要额外的器件辅助测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，可以用于拉曼激光系统中相位差的检测、调节和补偿。一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器；激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相连，分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调制器的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端相连，起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出信号进入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输入端相连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相连。一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，激光光源输出的激光经过分束器分为两束激光，一束激光通过电光调制器移频，另一束激光通过声光调制器移频，移频后的两束激光经过合束器合成拉曼激光，在拉曼激光的输出端安装一个半透半反镜，获取小部分激光作为反馈系统的输入，该拉曼激光信号的形式如下：I(t)＝I0[1+cos(2πft+φL(t)+φS(t))](1.1)其中：I0为光电流的幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频率差，φL(t)为光路的相位噪声，φS(t)为微波源的相位噪声；为了提取两束激光的相位差，首先需要对拉曼激光进行相位方波调制，调制使得两束激光的相位差为或然后对调制后的激光进行起偏，起偏后的光信号进入探测器，探测器将光信号转换为微波信号，忽略光频项后，该被测微波信号形式如下：U(t)＝U0cos(2πft+φL(t)+φS(t)+φM(t))(1.2)其中：U0为电压幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频率差，φL(t)为光路的相位噪声，φS(t)为微波源的相位噪声，φM(t)为调制信号，调制信号形式如下：其中：T为调制信号的周期；为提取φL(t)分量，引入参考微波信号，通过混频器将被测微波信号进行下变频，该参考微波信号与被测微波信号由同一个微波源产生，忽略参考微波信号和被测微波信号之间的时间延迟，参考微波信号形式如下：UR(t)＝URcos[2πft+φS(t)](1.4)其中：UR为电压幅值，f＝6.834GHz，为参考微波信号的频率，φS(t)为微波源的相位噪声；被测微波信号经过下变频之后，经过低通滤波器进行滤波，由(1.2)和(1.4)可得被测微波信号滤波后形式如下：已知φM(t)为或者于是被测微波信号可以简化为：考虑到φL(t)为一个微弱的缓慢变化的信号，于是被测微波信号可以简化为如下形式：为了获取φL(t)对应的电压信号，利用模数转换器将其转换为数字信号，通过FPGA对被测微波信号进行处理，再利用数模转换器将其转换为模拟电压信号，为了获得足够的功率驱动移相器，利用低频放大器对被测微波信号的功率进行放大，经过功率放大的模拟信号作为移相器的输入以控制移相器输出与之对应的相位信号，该相位信号作为反馈信号通过声光调制器耦合进入光路，得到经过闭环反馈的拉曼激光信号的形式如下：I(t)＝I0[1+cos(2πft+φS(t))](1.8)由式(1.1)和(1.8)可知，闭环反馈控制系统可以达到抑制拉曼激光系统光路振动引起的相位噪声的目的。本专利技术的优点：(1)通过采用闭环反馈控制环路，实现了拉曼激光系统中相位差的自动调节和补偿，降低了拉曼激光系统的光路相位噪声，降低了拉曼激光系统的光路相位噪声；(2)通过采用电路控制方式，实现了控制系统的集成化、模块化和易于调试等优点；附图说明图1是基于闭环反馈的相位差自动补偿方法框图；图中：1-激光光源2-分束器3-电光调制器4-声光调制器5-合束器6-半透半反镜7-相位调制器8-起偏器9-光电探测器10-低噪声微波放大器11-混频器12-低通滤波器13-模数转换器14-FPGA15-数模转换器16-低频放大器17-移相器具体实施方式下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种基于闭环反馈的相位差自动补偿装置，如图1所示，包括激光光源1、分束器2、电光调制器3、声光调制器4、合束器5、半透半反镜6、相位调制器7、起偏器8、光电探测器9、低噪声微波放大器10、混频器11、低通滤波器12、模数转换器13、FPGA14、数模转换器15、低频放大器16、移相器17。激光光源1发出的激光进入分束器2，分束器2的一端输出端与电光调制器3的输入端相连，分束器2的另外一端输出端与声光调制器4的输入端相连，电光调制器3的输出端与声光调制器4的输出端一同输入合束器5，合束器5输出的拉曼激光进入半透半反镜6，半透半反镜6形成透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器7，相位调制器7的输出端与起偏器8的输入端相连，起偏器8的输出激光进入光电探测器9，光电探测器9的输出端与低噪声微波放大器10的输入端相连，低噪声微波放大器10的输出端与混频器11的输入端相连，混频器11的输出端与低通滤波器12的输入端相连，低通滤波器12的输出端与模数转换器13的输入端相连，模数转换器13的输出信号进入FPGA14，FPGA14的输出信号进入数模转换器15，数模转换器15的输出端与低频放大器16的输入端相连，低频放大器16的输出信号进入移相器17，移相器17的输出端与声光调制器4的输入端相连。一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，如下所述：激光光源1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器；激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相连，分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调制器的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端相连，起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出信号进入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输入端相连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器；激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相连，分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调制器的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端相连，起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出信号进入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输入端相连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相连。2.一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，具体为：激光光源输出的激光经过分束器分为两束激光，一束激光通过电光调制器移频，另一束激光通过声光调制器移频，移频后的两束激光经过合束器合成拉曼激光，在拉曼激光系统的输出端设有半透半反镜，获取部分拉曼激光作为闭环反馈系统的输入，拉曼激光信号为：I(t)＝I0[1+cos(2πft+φL(t)+φS(t))](1.1)其中：I0为光电流的幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频率差，φL(t)为光路的相位噪声，φS(t)为微波源的相位噪声；首先对拉曼激光进行相位方波调制，调制使得两束激光的相位差为或然后对调制后的激光进行起偏，起偏后的光信号进入光电探测器，光电探测器将光信号转换为微波信号，忽略光频项，被测微波信号为：U(t)＝U0cos(2πft+φL(t)+φS(t)+φM(t))(1.2)其中：U0为电压幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘雄，徐小斌，王莹莹，宋凝芳，李玮，路想想，贾瑞鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11