一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，该系统由控制系统和激光系统组成，控制系统通过数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路、锁定放大器、压控晶体振荡器来控制激光系统。激光系统是通过光纤耦合二极管激光模块(FDL)中的二极管激光器发射780nm激光，然后经过FDL处理后耦合到PM光纤中。来自FDL的激光束通过光纤耦合光隔离器模块处理以获得更好的隔离。然后通过光纤耦合分束器模块将激光束分成两部分。一部分激光束用于控制系统对激光频率的锁定和调节。另一部分激光束用于产生冷却光束、吹扫光束、再泵浦光束和拉曼光束对。该激光系统具有体积小，激光频率稳定等优点，在便携式原子干涉仪中具有很好的应用前景。

\u4e00\u79cd\u7528\u4e8e\u539f\u5b50\u5e72\u6d89\u4eea\u7684\u7d27\u51d1\u578b\u6fc0\u5149\u7cfb\u7edf

The invention discloses a compact laser system for atomic interferometer, which consists of a control system and a laser system. The control system controls the laser system through a data acquisition card, a laser diode current controller, a proportional-integral-differential circuit, a lock-in amplifier and a voltage-controlled crystal oscillator. The laser system emits 780 nm laser through a diode laser in the Fiber Coupled Diode Laser Module (FDL), which is then processed by FDL and coupled into PM fiber. Laser beams from FDL are processed by an optical fiber coupled isolator module to achieve better isolation. Then the laser beam is divided into two parts by the optical fiber coupling beam splitter module. A part of the laser beam is used to lock and adjust the laser frequency in the control system. The other part of the laser beam is used to generate cooling beam, purging beam, re-pumping beam and Raman beam pair. The laser system has the advantages of small size and stable laser frequency. It has a good application prospect in portable atomic interferometer.

【技术实现步骤摘要】
一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统
本专利技术属于激光源
，特别涉及一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。
技术介绍
原子干涉仪已用于测量重力，重力梯度和旋转。高精度原子干涉仪在技术和基础物理中具有潜在的应用。激光系统是原子干涉仪的重要子系统。紧凑，坚固且便携的原子干涉仪可用于现场和空间应用，但通常激光系统复杂且笨重。因此便携式原子干涉仪需要简单紧凑的激光系统设计。近年来，已经进行了许多努力来开发用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。一方面，设计了自由空间中的集成激光系统，其中光学元件被设计并集成在稳定的光学模块中，并且原子干涉仪中所需的所有激光器都由该模块提供。这种精心设计的光学模块非常稳定和紧凑，但是当某些光学元件损坏或需要更换时很难调整。另一方面，还提出了基于光纤台的激光系统。这些激光系统要通过倍频技术从光纤激光器获得与碱金属原子跃迁相匹配的激光频率。同时，已经使用了几种技术来减少激光系统中包含的部件的数量。通过使用频率拍音锁定方法设计仅具有两个激光源的激光系统。并且通过使用偏移边带锁定技术，在这些激光系统中，输出激光器交替用于激光冷却，拉曼过渡和检测。激光源或光放大器数量的减少可以使激光系统更加紧凑。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术仅用一个二极管激光器构建一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。通过使用这种简单的激光系统，可以实现原子捕获，干涉测量和检测等所有功能。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，包含：控制系统：数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器。激光系统：光纤耦合二极管激光模块、光纤耦合光隔离器模块、光纤耦合分束器模块、光纤耦合电光调制器模块、光纤耦合器A、无多普勒极化光谱模块、光纤耦合器B、声光调制器模块、反射镜、光纤耦合器C、电光调制器模块、光束1、光束2、光束3、光束4。所述的控制系统由数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器构成的反馈机制来锁定并调节激光频率。具体方法如下：由光纤耦合分束器模块产生的一部分激光束通过光纤耦合电光调制器模块产生边带，然后由压控晶体振荡器添加的6.25MHz正弦信号来调制光纤耦合电光调制器模块的驱动微波。利用这种方法，边带的频率以相同的频率被调制，而载波不受影响。然后通过锁定放大器解调饱和吸收信号。通过使用比例积分微分电路处理解调的误差信号并将其反馈回激光二极管电流控制器，将边带的频率锁定到任何饱和吸收峰值。对于原子干涉仪应用，因为此激光系统中仅使用一个二极管激光器，所以激光器的频率必须在很大范围内快速移动。我们通过扫描光纤耦合电光调制器模块的微波频率并在扫描期间保持-1阶边带锁定来实现这一点，然后载波的频率相应地移动。在频移期间，二极管激光器的电流被动地改变以跟随移位。并且我们将有效反馈附加到二极管激光器的电流以避免因扫描速率太高而失锁。这种方法可以在10ms内实现578MHz甚至更高的频移。所述的光纤耦合二极管激光模块由一个二极管激光器、光隔离器和半波片组成，二极管激光器产生的激光通过光隔离器和半波片耦合到光纤中进行传输。激光再经过光纤耦合光隔离器以获得更好的隔离。所述的光纤耦合分束器模块将激光束分离成两部分，一部分激光光束用于调频和锁频。另一部分则产生系统所需要的激光光束。所述的另一部分激光光束则通过光纤耦合器耦合到光纤耦合声光调制器模块上，并通过此模块将激光光束在分成两束，一部分激光光束不用反射镜反射，这部分的激光光束用于产生光束1和光束2即冷却激光和吹扫激光。其中冷却激光用于原子的冷却，吹扫激光作用是选择原子进入磁不敏感状态。另一部分激光则经过反射镜反射，在经过光纤耦合器C耦合到电光调制器模块上，产生光束3和光束4即再泵浦光和拉曼光束对。再泵浦光是激光通过电光调制器模块产生的，用于原子激发的。拉曼光束对由载波和来自电光调制器模块的一阶边带形成，用于操纵原子。附图说明图1为本专利技术提出的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统示意图。具体实施方式为说明本专利技术的具体流程，以下将结合附图做详细的说明。参考图1，一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统。本专利技术中的紧凑型激光系统包括：控制系统：数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器。激光系统：光纤耦合二极管激光模块、光纤耦合光隔离器模块、光纤耦合分束器模块、光纤耦合电光调制器模块、光纤耦合器A、无多普勒极化光谱模块、光纤耦合器B、声光调制器模块、反射镜、光纤耦合器C、电光调制器模块、光束1、光束2、光束3、光束4。所述的控制系统由数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器构成的反馈机制来锁定并调节激光频率。具体方法如下：由光纤耦合分束器模块产生的一部分激光束通过光纤耦合电光调制器模块产生边带，然后由压控晶体振荡器添加的6.25MHz正弦信号来调制光纤耦合电光调制器模块的驱动微波。利用这种方法，边带的频率以相同的频率被调制，而载波不受影响。然后通过锁定放大器解调饱和吸收信号。通过使用比例积分微分电路处理解调的误差信号并将其反馈回激光二极管电流控制器，将边带的频率锁定到任何饱和吸收峰值。对于原子干涉仪应用，因为此激光系统中仅使用一个二极管激光器，所以激光器的频率必须在很大范围内快速移动。我们通过扫描光纤耦合电光调制器模块的微波频率并在扫描期间保持-1阶边带锁定来实现这一点，然后载波的频率相应地移动。在频移期间，二极管激光器的电流被动地改变以跟随移位。并且我们将有效反馈附加到二极管激光器的电流以避免因扫描速率太高而失锁。这种方法可以在10ms内实现578MHz甚至更高的频移。所述的光纤耦合二极管激光模块由一个二极管激光器、光隔离器和半波片组成，二极管激光器产生的激光通过光隔离器和半波片耦合到光纤中进行传输。激光再经过光纤耦合光隔离器以获得更好的隔离。所述的光纤耦合分束器模块将激光束分离成两部分，一部分激光光束用于调频和锁频。另一部分则产生系统所需要的激光光束。所述的光纤耦合分束器模块分成的一部分激光光束通过光纤耦合电光调制器模块、光纤耦合器A、无多普勒极化光谱模块和控制系统构成的闭环控制机制来锁定并调节激光频率。其中无多普勒极化光谱模块是用来暂时锁定激光频率，以便激光向控制系统中的锁定放大器传输。所述的另一部分激光光束则通过光纤耦合器耦合到光纤耦合声光调制器模块上，并通过此模块将激光光束在分成两束，一部分激光光束不用反射镜反射，这部分的激光光束用于产生光束1和光束2即冷却激光和吹扫激光。其中冷却激光用于原子的冷却，吹扫激光作用是选择原子进入磁不敏感状态。另一部分激光则经过反射镜反射，在经过光纤耦合器C耦合到电光调制器模块上，产生光束3和光束4即再泵浦光和拉曼光束对。再泵浦光是激光通过电光调制器模块产生的，用于原子激发的。拉曼光束对由载波和来自电光调制器模块的一阶边带形成，用于操纵原子。以上所述的实施例只是本专利技术较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本专利技术技术方案范围内作出的任何修改与变动，都应包含在本专利技术保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，包含：控制系统：数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器。激光系统：光纤耦合二极管激光模块、光纤耦合光隔离器模块、光纤耦合分束器模块、光纤耦合电光调制器模块、光纤耦合器A、无多普勒极化光谱模块、光纤耦合器B、声光调制器模块、反射镜、光纤耦合器C、电光调制器模块、光束1、光束2、光束3、光束4。

【技术特征摘要】
1.一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，包含：控制系统：数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器。激光系统：光纤耦合二极管激光模块、光纤耦合光隔离器模块、光纤耦合分束器模块、光纤耦合电光调制器模块、光纤耦合器A、无多普勒极化光谱模块、光纤耦合器B、声光调制器模块、反射镜、光纤耦合器C、电光调制器模块、光束1、光束2、光束3、光束4。2.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉仪的紧凑型激光系统，其特征在于，所述的控制系统由数据采集卡、激光二极管电流控制器、比例积分微分电路(PID)、锁定放大器、压控晶体振荡器构成的反馈机制来锁定并调节激光频率。具体方法如下：由光纤耦合分束器模块产生的一部分激光束通过光纤耦合电光调制器模块产生边带，然后由压控晶体振荡器添加的6.25MHz正弦信号来调制光纤耦合电光调制器模块的驱动微波。利用这种方法，边带的频率以相同的频率被调制，而载波不受影响。然后通过锁定放大器解调饱和吸收信号。通过使用比例积分微分电路处理解调的误差信号并将其反馈回激光二极管电流控制器，将边带的频率锁定到任何饱和吸收峰值。3.根据权利要求1所述的一种用于原子干涉仪的紧...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴羽峰，金尚忠，方维，严永强，赵春柳，陈君，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33