一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，包括：激光源及功率放大模块，用于产生单频激光；激光频率稳定及调节模块，用来将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；激光功率稳定、分配及时序控制模块，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；微波源及电子学控制模块，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。本发明专利技术具有小体积、低功耗、低成本、高稳定等优点。

An integrated single laser source optical device for a movable cold atom interferometer

【技术实现步骤摘要】
一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置
本专利技术主要涉及到冷原子干涉精密测量
，特指一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置。
技术介绍
冷原子干涉仪是以原子物质波代替光波作为测量介质的新一代高精度测量仪器。由于冷原子具有德布罗意波长短、自由演化时间长、静态质量大、原子团速度分布小以及内部能级结构复杂等特性，使冷原子干涉技术比激光干涉技术在精密测量上具有许多内禀的优越性和良好的技术潜力。根据激光与原子相互作用方向及方式的不同可以构成原子干涉重力仪、重力梯度仪、原子干涉陀螺仪、原子钟等精密测量仪器，用于惯性导航、地球物理、地质勘探、资源勘探、工业生产、基础科学研究等众多领域。为实现冷原子干涉仪，需要参考光、冷却光、吹散光、回泵光、探测光、拉曼光1、拉曼光2等7种不同频率、不同功率的激光在不同时间按特定时序变化并与原子相互作用，用于完成原子激光冷却与囚禁、原子速度选择和原子态制备、原子分束-反射-合束、原子布居数归一化探测等功能。并且，为了实现可移动测量，需要给冷原子干涉仪配套体积小、功耗低、结构简单、稳定性好的集成化激光系统。搭建在光学平台上基于分立光学元件的激光系统显然不能满足上述要求。集成化光学装置主要有自由空间式和全光纤式两种实现方式：目前已经实现了基于5个(SchmidtM,PrevedelliM,GiorginiA,TinoGM,PetersAAppliedPhysicsB2010,102,11.)和2个(BodartQ,MerletS,MalossiN,DosSantosFP,BouyerP,LandraginAAppliedPhysicsLetters2010,96,134101；S.Merlet，L.Volodimer，M.Lours，F.P.DosSantos，Appl.Phys.B，117，749-754，2014)半导体激光源结合多个激光放大器的集成化自由空间光学装置。这种采用多个半导体激光源结合光学锁相环的方式虽然能够实现所需的激光频率及功率，但装置仍然较为复杂、体积大、价格高并且稳定性差；还实现了基于2个(ZhangX,ZhongJ,TangB,ChenX,ZhuL,HuangP,WangJ,ZhanMAppliedOptics2018,57,6545；O.Carraz，F.Lienhart，R.Charrière，M.Cadoret，N.Zahzam，Y.Bidel，A.Bresson，Appl.Phys.B，97，405-411，2009))和1个(TheronF,CarrazO,RenonG,ZahzamN,BidelY,CadoretM,BressonAAppliedPhysicsB2014,118,1；LuoQ,ZhangH,ZhangK,DuanXC,HuZK,ChenLL,ZhouMKRevSciInstrum2019,90,043104)1.5μm通信波段光纤激光源的光纤光学装置。虽然1.5μm的激光源及光纤器件发展比较成熟，但复杂、低效、昂贵、高功耗的激光倍频模块让1.5μm倍频方式的光纤激光光学装置的应用范围受限，并且倍频方案仅仅对铷和钾等原子适用，不能适用于其他种类的碱金属原子。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种小体积、低功耗、低成本、高稳定的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，包括：激光源及功率放大模块，用于产生单频激光；激光频率稳定及调节模块，用于将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；激光功率稳定、分配及时序控制模块，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；微波源及电子学控制模块，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。作为本专利技术的进一步改进：所述激光源及功率放大模块中的半导体激光器LS输出单频激光经过激光隔离器ISO1进行输出，经过频率稳定和移频的激光注入到锥形激光放大器TA中进行激光功率放大，再经过激光隔离器ISO2进行输出。作为本专利技术的进一步改进：所述的半导体激光器LS为分布反馈半导体激光器，通过采用大调谐范围高精度激光频率锁定技术及高宽带激光相位调制器实现原子干涉仪所需的频移量和频率差。作为本专利技术的进一步改进：所述激光频率稳定及调节模块中的半波片和偏振分光棱镜PBS1将经激光隔离器ISO1后的激光分成5：95的两部分，其中5％部分的激光用于频率稳定及调节。作为本专利技术的进一步改进：所述激光频率稳定及调节模块中的电光调制器EOM1移频后+1级衍射光作为锁频光，在原子冷却阶段，电光调制器EOM1移频～100MHz并且扫频实现偏振梯度冷却，在原子干涉阶段，电光调制器EOM1移频～2GHz；电光调制器EOM1的+1级衍射锁频光经半波片WP2和偏振分光棱镜PBS2分为两束，其中一束作为泵浦光，被电光调制器EOM2调制后经偏振分光棱镜PBS3后作用于碱金属原子气室C上，另一束作为探测光，经扩束棱镜L后作用到碱金属原子气室C上，再通过偏振分光棱镜PBS3后被光电探测器PD1探测，形成调制转移谱信号，再经过微波源及电子学控制模块将激光频率锁定到碱金属原子的跃迁谱线上；最后经电光调制器EOM3后的+1阶衍射光作为回泵光、吹散光F＝1和拉曼光2，0阶光作为冷却光、探测光、吹散光和拉曼光1。作为本专利技术的进一步改进：所述的激光功率稳定、分配及时序控制模块包括声光调制器AOM1、半波片WP3、偏振分光棱镜PBS4、光电探测器PD2、比例积分反馈电路PID、声光调制器AOM2及机械开关，并通过半波片WP4、偏振分光棱镜PBS5、半波片WP5、偏振分光棱镜PBS6、半波片WP6、偏振分光棱镜PBS7将激光以一定功率比耦合进光纤耦合器及单模保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中实现原子干涉仪。作为本专利技术的进一步改进：所述微波源及电子学控制模块通过激光时序控制声光调制器射频源VCO3控制声光调制器AOM2；所述微波源及电子学控制模块通过激光装置机械开关时序控制器SC控制机械开关进行各路激光功率的时序控制；所述微波源及电子学控制模块通过激光功率稳定声光调制器射频源VCO2进行功率稳定。作为本专利技术的进一步改进：所有模块均安装在一个机箱内。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，仅包括单个激光源加单个激光放大器，比目前任何实现原子干涉的光学装置都要简单，从而简化了光路结构，降低了系统的体积、功耗和成本。2、本专利技术的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，通过采用大调谐范围高精度激光频率锁定技术及高宽带激光相位调制器实现原子干涉仪所需的频移量和频率差，能在2GHz内实现无跳模锁频和移频。3、本专利技术的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，不包含倍本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，包括：/n激光源及功率放大模块(10)，用于产生单频激光；/n激光频率稳定及调节模块(20)，用来将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；/n激光功率稳定、分配及时序控制模块(30)，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；/n微波源及电子学控制模块(50)，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，包括：
激光源及功率放大模块(10)，用于产生单频激光；
激光频率稳定及调节模块(20)，用来将单频激光转换成冷原子干涉仪所需的七种激光频率；
激光功率稳定、分配及时序控制模块(30)，用于按时序产生特定频率和功率的各种激光；
微波源及电子学控制模块(50)，用于对上述所有模块的开关及时序控制，最终的输出光通过四根偏振保偏光纤传输到原子干涉仪的传感头模块中。


2.根据权利要求1所述的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，所述激光源及功率放大模块(10)中的半导体激光器LS(11)输出单频激光经过激光隔离器ISO1(12)进行输出，经过频率稳定和移频的激光注入到锥形激光放大器TA(13)中进行激光功率放大，再经过激光隔离器ISO2(14)进行输出。


3.根据权利要求2所述的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，所述的半导体激光器LS(11)为分布反馈半导体激光器，通过采用大调谐范围高精度激光频率锁定技术及高宽带激光相位调制器实现原子干涉仪所需的频移量和频率差。


4.根据权利要求2所述的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，所述激光频率稳定及调节模块(20)中的半波片(201)和偏振分光棱镜PBS1(202)将经激光隔离器ISO1(12)后的激光分成5:95的两部分，其中5％部分的激光用于频率稳定及调节。


5.根据权利要求3所述的用于可移动冷原子干涉仪的集成化单激光源光学装置，其特征在于，所述激光频率稳定及调节模块(20)中的电光调制器EOM1(203)移频后+1级衍射光作为锁频光，在原子冷却阶段，电光调制器EOM1(203)移频～100MHz并且扫频实现偏振梯度冷却，在原子干涉阶段，电光调制器EOM1(203)移频～2GHz；电光调制器EOM1(203)的+1级衍射锁频光经半波片WP2(204)和偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡青青，马明祥，徐馥芳，杨俊，罗玉昆，李莹颖，强晓刚，汪杰，朱凌晓，贾爱爱，王亚宁，李期学，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11