光频梳产生装置及原子磁力计的光源稳频系统和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种光频梳产生装置，包括：可调谐激光器、微纳光纤和花生型谐振腔，可调谐激光器发射的激光经微纳光纤耦合进花生型谐振腔中并形成光频梳，其中，花生型谐振腔是通过将单模光纤两次熔融压缩制得，花生型谐振腔的轮廓呈轴对称，包括沿其轴向同轴设置的第一瓶状光学微腔和第二瓶状光学微腔，两者沿轴向部分重叠，以及，基于该光频梳产生装置的原子磁力计的光源稳频系统和方法。本发明专利技术的光频梳产生装置得到的光频梳梳齿间隔低至0.1～1GHz，且色散容易调节，基于该光频梳产生装置的原子磁力计的光源稳频系统和方法实现了高精度、高频率稳定性的原子磁力计光源输出。高频率稳定性的原子磁力计光源输出。高频率稳定性的原子磁力计光源输出。

【技术实现步骤摘要】
光频梳产生装置及原子磁力计的光源稳频系统和方法


[0001]本专利技术涉及量子精密测量
，具体是一种光频梳产生装置及原子磁力计的光源稳频系统和方法。

技术介绍

[0002]原子磁力计在医疗器械、地质勘探、安全检测、军事国防等领域应用广泛，其光源输出频率的稳定性对于提高磁场探测灵敏度具有十分重要的研究意义和实用价值。目前广泛使用的稳频技术包括锁定到原子跃迁中心频率的兰姆凹陷稳频法、塞曼效应稳频法，锁定到原子或分子吸收线上的饱和吸收稳频、原子双向色性锁频，以及锁定到参考腔上的Pound
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Drever
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Hall(PDH)稳频法。这些稳频方法频率稳定度对环境要求高，容易受到温度、气压的影响，稳频效果不理想，频率稳定度约为10
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，难以继续提高。光频梳是一种由一系列等频率间隔的分量组成的光谱，具有广阔和稳定的光谱分布，由于其每一根梳齿都可以作为优异的频率参考，因此，通过将原子磁力计光源输出频率锁定到光频梳，可实现一定频率范围内激光器输出频率的稳定，频率稳定度可达10
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。现有的基于光频梳的频率稳定方法虽然具有较好的稳定性和复现性，但基于锁模激光器的光频梳产生装置结构复杂，体积大，不利于系统集成和实际应用，基于微纳光纤多圈型谐振腔的光频梳阈值功率高，经济性差。回音壁模式光学微腔是一种尺寸在微米量级的光学谐振腔，具有品质因子高、模式体积小、能量密度大等优点，是产生光频梳的理想载体，然而基于回音壁模式球状、盘状、微环芯、瓶状等谐振腔的光频梳梳齿间隔通常为10～100GHz，并且由于微腔直径的限制难以继续降低，较大的光频梳频率间隔降低了拍频信号的计算精度，增加了信号锁定和稳频难度。此外，这些微腔的模式色散不易调节，限制了光频梳有效频谱范围的进一步展宽，因此，迫切需要寻求一种新的光频梳产生方法及装置以解决现有问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
[0004]本专利技术还有一个目的是提供一种基于花生型谐振腔的光频梳产生装置，其得到的光频梳的梳齿间隔低至0.1～1GHz，且色散容易调节。
[0005]本专利技术还有一个目的是提供一种基于上述光频梳产生装置的原子磁力计的光源稳频系统和方法，其提高了稳频过程中拍频信号的计算精度，实现了高精度、高频率稳定性的原子磁力计光源输出。
[0006]为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种光频梳产生装置，包括：可调谐激光器、微纳光纤和花生型谐振腔，可调谐激光器发射的激光经微纳光纤耦合进花生型谐振腔中并形成光频梳，其中，
[0007]所述花生型谐振腔是通过将单模光纤两次熔融压缩制得，所述花生型谐振腔的轮廓呈轴对称，包括沿其轴向同轴设置的第一瓶状光学微腔和第二瓶状光学微腔，所述第一瓶状光学微腔和所述第二瓶状光学微腔沿轴向部分重叠。
[0008]优选的是，所述的光频梳产生装置，所述花生型谐振腔的径向长度范围125～200um，轴向长度范围500～800um。
[0009]本专利技术还提供了一种原子磁力计的光源稳频系统，包括可调谐激光器、微纳光纤、花生型谐振腔、光谱仪、准直器、两个λ/2波片、两个偏振分光棱镜、光电探测器、鉴相器、频率综合器、环路滤波器、波长计、原子磁力计电流源和原子磁力计光源，所述花生型谐振腔是通过将单模光纤两次熔融压缩制得，其中，
[0010]可调谐激光器发射的激光经微纳光纤耦合进花生型谐振腔中并形成光频梳，光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，同时，原子磁力计光源发射的激光入射到另一个偏振分光棱镜并分为两束，一束经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，与光频梳进行合光后经光电探测器得到拍频信号，频率综合器用于产生一个频率信号并与拍频信号一起依次经鉴相器、环路滤波器到达原子磁力计电流源实现拍频信号的锁定，利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算原子磁力计光源的输出频率，并得到与目标频率之间的差值，根据差值调节频率综合器输出的频率信号，以使原子磁力计光源稳定的输出目标频率。
[0011]优选的是，所述的原子磁力计的光源稳频系统，所述花生型谐振腔的轮廓呈轴对称，包括沿其轴向同轴设置的第一瓶状光学微腔和第二瓶状光学微腔，所述第一瓶状光学微腔和所述第二瓶状光学微腔沿轴向部分重叠。
[0012]优选的是，所述的原子磁力计的光源稳频系统，所述花生型谐振腔的径向长度范围125～200um，轴向长度范围500～800um。
[0013]优选的是，所述的原子磁力计的光源稳频系统，所述原子磁力计光源发射的激光所具有的输出频率始终处于所述花生型谐振腔得到的光频梳的光谱频率范围内。
[0014]本专利技术还提供了一种原子磁力计的光源稳频方法，包括如下步骤：步骤一、可调谐激光器发射的激光经花生型谐振腔得到光频梳，通过光谱仪测量并记录光频梳的初始频率以及频率间隔；
[0015]步骤二、光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，根据目标频率调节原子磁力计光源的输出频率，原子磁力计光源以该输出频率发射的激光经另一个偏振分光棱镜分为两束，一束经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，与光频梳进行合光后经光电探测器得到拍频信号；
[0016]步骤三、利用鉴相器得到频率综合器产生的频率信号与拍频信号之间的误差，环路滤波器将该误差伺服输出至原子磁力计电流源，实现拍频信号的锁定；
[0017]步骤四、利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算原子磁力计光源的输出频率；
[0018]步骤五、根据步骤四中的原子磁力计光源的输出频率与目标频率之间的差值，调节频率综合器输出的频率信号，实现原子磁力计光源稳定的输出目标频率。
[0019]优选的是，所述的原子磁力计的光源稳频方法，步骤一中通过调节可调谐激光器发射激光的输出波长和输出功率，当输出波长接近花生型谐振腔的谐振波长，并且输出功率大于模式损耗时，经花生型谐振腔得到光频梳。
[0020]优选的是，所述的原子磁力计的光源稳频方法，步骤四中原子磁力计光源的输出频率通过以下公式计算：f＝f0+N*f
rep
+f
beat
，其中，f0为光频梳的初始频率，f
rep
为光频梳的
频率间隔，f
beat
为拍频信号的频率，N为光频梳产生拍频信号的梳齿次序。
[0021]本专利技术至少包括以下有益效果：
[0022]1、本专利技术基于花生型谐振腔的光频梳产生装置的体积小、阈值功率低，可以通过改变微纳光纤与花生型谐振腔的轴向耦合位置调节模式色散，拓展光频梳频谱范围，并且可以通过增加谐振腔长度，即轴向尺寸，得到具有低自由光谱范围的轴向模式，实现低梳齿间隔(0.1～1GHz)光频梳的激发。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光频梳产生装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、微纳光纤和花生型谐振腔，可调谐激光器发射的激光经微纳光纤耦合进花生型谐振腔中并形成光频梳，其中，所述花生型谐振腔是通过将单模光纤两次熔融压缩制得，所述花生型谐振腔的轮廓呈轴对称，包括沿其轴向同轴设置的第一瓶状光学微腔和第二瓶状光学微腔，所述第一瓶状光学微腔和所述第二瓶状光学微腔沿轴向部分重叠。2.如权利要求1所述的光频梳产生装置，其特征在于，所述花生型谐振腔的径向长度范围125～200um，轴向长度范围500～800um。3.原子磁力计的光源稳频系统，其特征在于，包括可调谐激光器、微纳光纤、花生型谐振腔、光谱仪、准直器、两个λ/2波片、两个偏振分光棱镜、光电探测器、鉴相器、频率综合器、环路滤波器、波长计、原子磁力计电流源和原子磁力计光源，所述花生型谐振腔是通过将单模光纤两次熔融压缩制得，其中，可调谐激光器发射的激光经微纳光纤耦合进花生型谐振腔中并形成光频梳，光频梳依次经准直器、一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，同时，原子磁力计光源发射的激光入射到另一个偏振分光棱镜并分为两束，一束经另一个λ/2波片进入偏振分光棱镜，与光频梳进行合光后经光电探测器得到拍频信号，频率综合器用于产生一个频率信号并与拍频信号一起依次经鉴相器、环路滤波器到达原子磁力计电流源实现拍频信号的锁定，利用波长计得到光频梳产生拍频信号的梳齿次序，结合光谱仪测得光频梳的初始频率和频率间隔，以及拍频信号的频率，计算原子磁力计光源的输出频率，并得到与目标频率之间的差值，根据差值调节频率综合器输出的频率信号，以使原子磁力计光源稳定的输出目标频率。4.如权利要求3所述的原子磁力计的光源稳频系统，其特征在于，所述花生型谐振腔的轮廓呈轴对称，包括沿其轴向同轴设置的第一瓶状光学微腔和第二瓶状光学微腔，所述第一瓶状光学微腔和所述第二瓶状光学微腔沿轴向部分重叠。5.如权利要求4所述的原子磁力计的光源稳频系统，其特征在于，所述花生型谐振腔的径向长度范围125...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宾，
申请(专利权)人：北京未磁科技有限公司，
类型：发明
国别省市：