一种用于拉曼激光系统的双通道相位抖动抑制装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种用于拉曼激光系统的双通道相位抖动抑制装置和方法，装置包括稳频激光器、1/2波片、偏振分光棱镜、45°反射镜、电光调制器、法布里‑珀罗干涉仪、声光调制器、平凸透镜、1/4波片、0°反射镜、PZT、起偏器、探测器、预处理电路、基于FPGA的控制电路、D/A转换器、声光调制器驱动、PZT驱动、电光调制器驱动和法布里‑珀罗干涉仪控制器。本发明专利技术实现对两束激光功率和频率的独立控制，分别采用高频反馈和低频反馈两条路径来抑制拉曼激光相位抖动，和单通道相位反馈系统相比，降低了对电路系统的要求，且提高了相位反馈系统的稳定性。

A two channel phase jitter suppression device and method for Raman laser system

The invention provides a method and a device for suppressing for dual channel phase jitter Raman laser system, frequency stabilization device comprises a laser, a 1/2 wave plate and a polarizing beam splitter prism, 45 degree mirror, electro-optic modulator, Fabri Perot interferometer, acousto-optic modulator, Plano convex lens, 1/ 4 wave plate, 0 degrees mirror, PZT, polarizer, detector, preprocessing circuit, based on FPGA control circuit, D/A converter, acousto-optic modulator drive, PZT drive, electro-optic modulator and Fabri Perot interferometer driven controller. The invention realizes the independent control of the two beams of laser power and frequency, high frequency and low frequency respectively using feedback feedback two paths to suppress the Raman laser phase jitter, compared with single channel phase feedback system, reduces the circuit of the system requirements, and improve the stability of phase feedback system.

【技术实现步骤摘要】
一种用于拉曼激光系统的双通道相位抖动抑制装置和方法
本专利技术涉及一种用于拉曼激光系统的相位抖动反馈控制技术，特别是一种基于声光调制器和压电陶瓷双通道反馈控制的相位抖动抑制装置和方法，分别实现对高、低频相位抖动的有效抑制，属于量子精密测量领域。
技术介绍
基于激光冷却和囚禁的(超)冷原子具有速度小易于操控的特点，其德布罗意波波长和激光相比要小3～4个量级，因此量子干涉测量技术可以提供更小的测量尺度，这意味着利用冷原子构成的量子传感仪器可以获得远高于传统光学传感器的精度和灵敏度，在精密测量和基本物理效应验证等领域具有巨大应用前景。具有一定频差且相位恒定的拉曼激光系统是形成原子干涉仪的关键部件，在对原子操控的过程中，基于原子-激光相互作用，拉曼激光的相位会直接叠加到原子总相位中。当拉曼激光系统的相位发生抖动，会对外界转动或加速度引起的相移检测造成误差，这对高精度测量具有非常不利的影响，因此需要合适的措施来抑制拉曼激光系统的相位抖动。传统的相位反馈方法主要有两种。一种是将拉曼激光的相位差通过拍频的方法提取处理，然后通过相位反馈系统处理后，直接反馈给电光调制器或者声光调制器，从而抵消光路中的相位抖动。但这种方法通常需要对整个噪声频段进行反馈，由于反馈系统增益带宽积一定，因此在保证大带宽的条件时，无法在低频和高频段同时获得较好的相位噪声抑制效果。另一种相位反馈方法是将提取的反馈信号经过处理后，分为低频和高频分别伺服控制激光器，其中低频成分反馈给激光器的PZT，通过调节激光器的腔长，改变激光频率来调节相位；高频成分反馈给激光器的电流控制器，通过改变电流来改变频率，实现对拉曼激光相位中的高频抖动进行补偿。这种方式可以同时实现高频和低频成分的独立反馈控制，具有较好的控制效果，但由于这种拉曼激光方案采用了两个激光器，这意味着激光器的相位噪声无法消除，限制了拉曼激光相位噪声性能的进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是解决拉曼激光系统中的相位抖动问题，利用声光调制器和压电陶瓷双通道反馈控制方法，分别实现对高、低频相位噪声的有效抑制，从而在大频率偏移范围内降低拉曼激光系统的相位抖动。本专利技术的一种用于拉曼激光系统的双通道相位噪声抑制装置，包括稳频激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、45°反射镜、电光调制器、法布里-珀罗干涉仪、第三1/2波片、声光调制器、平凸透镜、1/4波片、0°反射镜、PZT、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜、起偏器、探测器、预处理电路、基于FPGA的控制电路、第一D/A转换器、第二D/A转换器、声光调制器驱动、PZT驱动、电光调制器驱动、法布里-珀罗干涉仪控制器和第四1/2波片。本专利技术所述装置使用稳频激光器作为整个拉曼激光系统的光源，其中激光器的频率被锁定在铷87原子的D2跃迁谱线，具有较好的长期频率稳定性。1/2波片是为了调节激光器输出激光的偏振态。偏振分光棱镜是为了和1/2波片配合使用，对透射和反射的光功率进行根据需要进行分配，其中透射光是水平偏振态，反射光是垂直偏振态。电光调制器对稳频的激光进行调制，分别产生‘-1’级，‘0’级和‘+1’级边带，其中电光调制器通过电光调制器驱动输出的微波功率进行控制。利用法布里-珀罗干涉仪对经过电光调制后的激光进行光学滤波，通过设置合适的腔长，仅允许经过电光调制器后的‘-1’级边带通过。法布里-珀罗干涉仪的透射频率通过法布里-珀罗干涉仪控制器改变腔长来实现。45°反射镜一方面用于偏折光路，另一方面用于调节光路和电光调制器的透光轴重合。声光调制器利用声波对经过的激光进行移频，产生‘0’级和‘±1’级和少量‘±2’级光。其中‘-1’级光的衍射效率通过声光调制器驱动输出的射频功率进行控制。平凸透镜使声光调制器衍射的“-1”级光平行出射，这样可以实现光路的双通结构，当改变频率时不会引起输出激光方向的变化。1/4波片使入射的线偏振光变为圆偏振光，和0°反射镜配合使反射激光的偏振态改变90度，即从垂直偏振态变为水平偏振态。PZT紧密安装在0°反射镜后表面，用于使0度反射镜产生轻微形变，改变激光的光程差。PZT的位移通过PZT驱动控制。起偏器用于将两束偏振态垂直的拉曼激光映射到同一偏振态，实现光学拍频。探测器用于接收拍频信号，将光信号转换为电信号。预处理电路包含下混频和A/D转换两部分，其中下混频电路将探测器的高频信号转为A/D转化器能够采集的中频信号，A/D转换器用于将探测器接收到的模拟电信号转变为数字信号，方便后续采用基于FPGA的控制电路进行信号处理。基于FPGA的控制电路对输入的信号进行计算和处理，得到的误差信号分别通过低通和高通滤波器进行输出，其中低频信号经过D/A转换器将数字信号还原成模拟控制信号后，反馈到PZT，改变声光调制器光路的光程差；高频信号经过另一个D/A转换器经数字信号还原为高频模拟控制信号，反馈给声光调制器驱动，直接改变声光调制器光路的相位，从而调节两束激光的相位差。本专利技术所述的电光调制器用于产生所需的大频率移频，输出的‘-1’级，‘0’级和‘+1’边带的功率与电光调制器驱动输入的微波功率有关，其中‘-1’级和‘+1’级边带的功率相等。电光调制器调制后的激光方向保持不变，偏振态也保持不变，‘-1’级和‘+1’级边带的频率相对‘0’级光的频率产生移频，移频量和电光调制器驱动频率相等。本专利技术所述的法布里-珀罗干涉仪内部为实心熔融石英玻璃，干涉仪的腔长通过控制器独立控制。本专利技术所述的预处理电路兼具信号处理和A/D转换功能。本专利技术所述的FPGA电路将A/D转换器采集的电路信号进行滤波和放大等处理，得到误差反馈信号。误差反馈信号分为两路，高频的一路信号通过D/A转换器施加到声光调制器驱动上，另一路低频信号通过D/A转换器施加给PZT驱动，通过改变施加到PZT的控制电压，改变0度反射镜，从而改变两束拉曼激光的光程差，达到对低频大振幅相位抖动进行抑制的目的。本专利技术所述的声光调制器，声光调制器驱动，平凸透镜，1/4波片，0°反射镜，PZT，PZT驱动，探测器，偏振分束棱镜，起偏器，A/D转换器，FPGA控制电路和D/A转换器形成一个相位的双路闭环反馈系统，该反馈系统的带宽有PZT、声光调制器驱动和FPGA控制电路的电路延迟综合决定。本专利技术的优点在于：(1)利用电光调制器和声光调制器分别对激光进行移频，综合产生所需的具有固定频差的拉曼激光，可以实现对两束激光输出功率和频率的独立控制；(2)采用独立的高频相位反馈和低频相位反馈通道，通过直接改变激光的相位和改变两束激光的光程差，实现对大频段范围拉曼激光相位噪声的有效抑制，可有效降低拉曼激光系统的相位噪声；(3)分别采用高频反馈和低频反馈两条路径来抑制拉曼激光相位抖动，和单通道相位反馈系统相比，降低了对电路系统的要求，且提高了相位反馈系统的稳定性；附图说明图1是拉曼激光相位抖动反馈控制装置示意图。图中：1：稳频激光器2：第一1/2波片3：第一偏振分光棱镜4：第二1/2波片5：45°反射镜6：电光调制器7：法布里-珀罗干涉仪8：第三1/2波片9：声光调制器10：平凸透镜11：1/4波片12：0°反射镜13：PZT14：第二偏振分光棱镜15：第三偏振分光棱镜16：起偏器17：探测器18：预处理电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于拉曼激光系统的双通道相位噪声抑制装置，包括稳频激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、45°反射镜、电光调制器、法布里‑珀罗干涉仪、第三1/2波片、声光调制器、平凸透镜、1/4波片、0°反射镜、PZT、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜、起偏器、探测器、预处理电路、基于FPGA的控制电路、第一D/A转换器、第二D/A转换器、声光调制器驱动、PZT驱动、电光调制器驱动、法布里‑珀罗干涉仪控制器和第四1/2波片；稳频激光器为激光源，第一1/2波片改变从激光器输出的激光的偏振态，与第一偏振分光棱镜配合，调节经过第一偏振分束棱镜透射端口和反射端口的光功率，第一偏振分光棱镜的透射激光偏振态为水平线偏振光，反射激光偏振态为垂直线偏振光，第二1/2波片将第一偏振分光棱镜透射激光的偏振态改变90°，经过第二偏振分光棱镜后光路偏转90°，被全部反射，45°反射镜偏折经过第一偏振分光棱镜反射的激光，使其光路偏振90°，电光调制器对入射的激光进行相位调制，产生‘‑1’级、‘0’级和‘+1’级边带，‘±1’级边带和‘0’级光的频差为电光调制器的中心谐振频率，电光调制器驱动产生驱动电光调制器所需的频率和微波功率，法布里‑珀罗干涉仪对经过电光调制器的多频率激光进行光学选频，仅允许‘‑1’级边带通过，法布里‑珀罗干涉仪控制器产生所需的控制信号，保证法布里‑珀罗干涉仪的腔长对应的透射频率和电光调制器的谐振频率一致，第三1/2波片改变经过法布里‑珀罗干涉仪后的激光偏振态，和第三偏振分光棱镜配合，使一部分激光透射，一部分激光反射，声光调制器对第二偏振分光棱镜反射的激光进行调制，产生‘‑1’级、‘0’级和‘+1’级光，选取‘‑1’级激光，声光调制器驱动产生驱动声光调制器所需的频率和功率，平凸透镜调整声光调制器的输出光路，进行准直，平凸透镜的前焦点位于声光调制器的中心，1/4波片将经过声光调制器的线偏振光变为圆偏振光，0°反射镜反射经过1/4波片的圆偏振光，将左旋圆偏振光改变为右旋圆偏振光，反射镜位于平凸透镜的后焦点处，PZT调节0°反射镜的形变，产生相位反馈所需的位移，PZT紧密放置在0°反射镜的后表面，PZT驱动提供给PZT驱动0°反射镜所需的控制信号，起偏器接收从第三偏振分光棱镜出射的激光，然后将两束垂直偏振态的激光投影到同一个偏振态，发生拍频，探测器接收光学拍频信号，并将其转换为待处理的电信号，预处理电路将高频信号进行下变频得到中频信号，将模拟电信号转化为数字电信号，FPGA控制电路处理预处理电路提供的中频误差信号，得到两路输出相位反馈控制信号，第一D/A转换器和第二D/A转换器将FPGA输出的数字相位抖动反馈控制信号转换为模拟控制信号，然后分别控制声光调制器驱动和PZT驱动。...

【技术特征摘要】
1.一种用于拉曼激光系统的双通道相位噪声抑制装置，包括稳频激光器、第一1/2波片、第一偏振分光棱镜、第二1/2波片、45°反射镜、电光调制器、法布里-珀罗干涉仪、第三1/2波片、声光调制器、平凸透镜、1/4波片、0°反射镜、PZT、第二偏振分束棱镜、第三偏振分束棱镜、起偏器、探测器、预处理电路、基于FPGA的控制电路、第一D/A转换器、第二D/A转换器、声光调制器驱动、PZT驱动、电光调制器驱动、法布里-珀罗干涉仪控制器和第四1/2波片；稳频激光器为激光源，第一1/2波片改变从激光器输出的激光的偏振态，与第一偏振分光棱镜配合，调节经过第一偏振分束棱镜透射端口和反射端口的光功率，第一偏振分光棱镜的透射激光偏振态为水平线偏振光，反射激光偏振态为垂直线偏振光，第二1/2波片将第一偏振分光棱镜透射激光的偏振态改变90°，经过第二偏振分光棱镜后光路偏转90°，被全部反射，45°反射镜偏折经过第一偏振分光棱镜反射的激光，使其光路偏振90°，电光调制器对入射的激光进行相位调制，产生‘-1’级、‘0’级和‘+1’级边带，‘±1’级边带和‘0’级光的频差为电光调制器的中心谐振频率，电光调制器驱动产生驱动电光调制器所需的频率和微波功率，法布里-珀罗干涉仪对经过电光调制器的多频率激光进行光学选频，仅允许‘-1’级边带通过，法布里-珀罗干涉仪控制器产生所需的控制信号，保证法布里-珀罗干涉仪的腔长对应的透射频率和电光调制器的谐振频率一致，第三1/2波片改变经过法布里-珀罗干涉仪后的激光偏振态，和第三偏振分光棱镜配合，使一部分激光透射，一部分激光反射，声光调制器对第二偏振分光棱镜反射的激光进行调制，产生‘-1’级、‘0’级和‘+1’级光，选取‘-1’级激光，声光调制器驱动产生驱动声光调制器所需的频率和功率，平凸透镜调整声光调制器的输出光路，进行准直，平凸透镜的前焦点位于声光调制器的中心，1/4波片将经过声光调制器的线偏振光变为圆偏振光，0°反射镜反射经过1/4波片的圆偏振光，将左旋圆偏振光改变为右旋圆偏振光，反射镜位于平凸透镜的后焦点处，PZT调节0°反射镜的形变，产生相位反馈所需的位移，PZT紧密放置在0°反射镜的后表面，PZT驱动提供给PZT驱动0°反射镜所需的控制信号，起偏器接收从第三偏振分光棱镜出射的激光，然后将两束垂直偏振态的激光投影到同一个偏振态，发生拍频，探测器接收光学拍频信号，并将其转换为待处理的电信号，预处理电路将高频信号进行下变频得到中频信号，将模拟电信号转化为数字电信...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘雄，徐小斌，路想想，宋凝芳，李玮，
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