一种激光移频及功率稳定装置和原子光学器件

本发明属于激光控制，更具体地说，是涉及一种激光移频及功率稳定装置和原子光学器件。

背景技术：

1、自上个世纪50年代激光被首次实现以来，由于其有别于普通光的单色性、方向性、相干性等特点，在多个科学技术领域得到了广泛应用。然而，在实际应用中，需要对激光的频率、功率、偏振、方向等进行十分细微的控制，使得光学系统结构十分复杂。

2、以原子重力仪光学系统为例，频率方面，需要利用不同频率的激光对原子依次进行冷却、选态、干涉、探测等操作，至少需要七种不同频率的激光，除此之外，在冷却阶段，还需要对冷却光的频率进行微调，以实现不同程度的冷却以及控制原子初始运动方向；功率方面，为减小测量结果中的噪声，获得稳定可靠的重力测量结果，需要对激光开展功率控制，主要包括拉曼光和探测光，拉曼光能够改变测量过程中的原子能态，探测光用于在最终阶段对剩余原子数目及种类进行测量，如果这两种光中存在功率扰动，会直接影响重力测量分辨率；偏振方面，冷原子制备时，要求激光偏振为圆偏振，而原子干涉时需要的激光偏振为线偏振；另外，在测定重力信息时，还要求拉曼光的传播方向与重力方向完全一致。上述这些要求都需要在光学系统中实现。在实际应用中，通常采用不同环节来分别控制不同参数，这使得光路系统的复杂性难以降低。

3、如果能够选用合适的装置或方法，对激光的多个参数进行同时调节，将能够有效地简化光路系统结构，同时能减少因光路过长以及元器件过多而导致的功率损耗。

4、为控制激光的各项参数，一方面是选用高性能的激光器，使激光器出射光直接满足需求，可以最大限度地简化光路系统，但这种方法并不适用于原子重力仪光路系统这类激光种类过多或参数过于复杂的情况。另一方面，还可以在激光器外增加各种激光特性控制单元，来获得更多种类的激光，外部控制单元不会对光源产生影响，通用性更强，操作更为简单，常见的激光特性控制单元技术包括模式选择、稳频、q调制、锁模、非线性频率变化等。为实现激光频率移动的目标，常用的控制单元为声光调制器，它是通过调节光通过晶体时的折射率使光发生衍射，从而改变输出光的频率。为实现功率稳定的目标，常用的控制单元包括压电陶瓷、磁光调制器、电光调制器、声光调制器等，其中，声光调制器具有体积小、操作简单、消光比高等优点，在量子光学领域的应用有其独特的优势。在这些控制单元中，声光调制器既能够完成激光频率的调节，还能够实现激光功率的稳定。

5、因此，有必要针对声光调制器设计出一种装置，使其同时具备移频和功率稳定两种功能，对于减小光路系统复杂性具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种激光移频及功率稳定装置和原子光学器件，可同时实现功率稳定和移频的功能，有助于简化试验光路或者实现大型光路系统的小型化，且能够降低激光特性调节过程中因使用的元器件过多而导致的功率损耗。

2、为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种激光移频及功率稳定装置，该装置包括以下元部件：激光器、第一1/2波片、第一偏振分束器、第二1/2波片、第一透镜、第一光阑、声光调制器、第二光阑、第二透镜、1/4波片、反射镜、第三1/2波片、第二偏振分束器、光电探测器、上位机、控制器和声光调制器驱动器；

3、激光器输出的激光经过第一1/2波片调节偏振态，进入第一偏振分束器，调节偏振态后的激光在第一偏振分束器中被分离成第一垂直线偏振光和第一水平线偏振光，第一垂直线偏振光被第一偏振分束器反射至光路外，第一水平线偏振光透射进入到第二1/2波片后调节偏振态变成线偏振准直光，线偏振准直光依次经过第一透镜、第一光阑后入射进声光调制器进行一次移频，由声光调制器一次移频后的出射光依次经过第二光阑、第二透镜、1/4波片和反射镜反射后沿原路返回，再次进入声光调制器进行二次移频，由声光调制器二次移频后的出射光依次经过第一光阑、第一透镜、第二1/2波片，并在第一偏振分束器中被分离成第二垂直线偏振光和第二水平线偏振光，第二水平线偏振光被透射至光路外，第二垂直线偏振光由第一偏振分束器反射进入到第三1/2波片后调整偏振态，调整偏振态的光信号进入第二偏振分束器中被分离成第三垂直线偏振光和第三水平线偏振光，第三垂直线偏振光由第二偏振分束器反射后作为输出光，第三水平线偏振光从第二偏振分束器透射后作为控制光；

4、光电探测器用于将控制光的功率信息转换为控制光实测电压；上位机用于设定输出光的移频量和参考功率，上位机根据参考功率、第二偏振分束器的分光比、光电探测器的功率与电压转换增益计算控制光参考电压；控制器用于将输出光的移频量转换为频率控制信号，控制器用于将控制光实测电压与控制光参考电压的差值转换为幅度控制信号；声光调制器驱动器根据幅度控制信号和频率控制信号产生驱动信号，由该驱动信号驱动声光调制器调整声光介质对光的折射率，从而对输出光进行移频和光功率控制。

5、进一步地，所述第一1/2波片、所述第二1/2波片、所述第三1/2波片用于调节激光的偏振态，使得激光中水平线偏振光和垂直线偏振光的比例发生改变。

6、进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜用于聚焦光束，焦点位于所述声光调制器中心。

7、进一步地，所述第一光阑、所述第二光阑用于限制光束路径。

8、进一步地，经过所述第一透镜聚焦后的光束穿过所述第一光阑后，在所述声光调制器中发生衍射，0级光被所述第二光阑遮挡，‘+1’级光穿过所述第二光阑后经所述第二透镜转换为线偏振准直光；或经所述第二透镜聚焦后的光束穿过所述第二光阑后，在所述声光调制器中发生衍射，0级光被所述第一光阑遮挡，‘+1’级光穿过所述第一光阑后经所述第一透镜转换为线偏振准直光进入所述第二1/2玻片。

9、进一步地，从所述第二透镜出来的线偏振准直光经所述1/4玻片后转换为圆偏振光；或经所述反射镜反射后的圆偏振光经过所述1/4玻片后转换为线偏振准直光进入所述第二透镜。

10、进一步地，所述参考电压的计算过程如下：

11、记所述控制光功率为pcontrol，所述参考功率为p0，所述第二偏振分束器的分光比为所述光电探测器的功率与电压转换增益为则所述参考电压u0计算式为

12、

13、进一步地，所述控制器给出所述频率控制信号的过程为：

14、记所述上位机指定的从所述第二偏振分束器反射的所述输出光的移频量为ωs，记所述频率控制信号为uf，则

15、所述控制器给出所述幅度控制信号的过程为：

16、记所述实测电压为u，所述参考电压为u0，所述参考电压与所述实测电压的差值ep＝u0-u，ep(n)、ep(n-1)、ep(n-2)分别为第n、n-1、n-2次采样后得差值，kp、ki、kd分别为pid控制算法的比例系数、积分系数、微分系数，利用基本pid控制算法得到所述幅度控制信号up，计算公式如下：

17、

18、本发明的第二方面，还提供了一种原子光学器件，该原子光学器件的测量装置的光学系统包括上述任一项所述的激光移频及功率稳定装置。

19、进一步地，所述原子光学器件为原子重力仪或原子钟。

20、进一步地，所述激光器为780nm的单频激光发射器。

21、进一步地，所述声光调制器驱动器能够驱动的频率范围在所述声光调制器的出厂带宽内。

22、进一步地，所述激光器输出的激光频率为ω，所述上位机中指定的移频量为ωs，则所述第二偏振分束器的输出光的频率为ω+2ωs。

23、与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

24、本发明的一种激光移频及功率稳定装置可同时实现功率稳定和移频的功能，有助于简化试验光路或者实现大型光路系统的小型化，且能够降低激光特性调节过程中因使用的元器件过多而导致的功率损耗。本发明的一种激光移频及功率稳定装置利用激光两次通过声光调制器后光路不变的特性，避免了声光调制器移频后光路发生偏转的缺点，在扩大移频范围的同时，增加了光路的可靠性，并且利用一个光路可以产生多种频率的光，在实际应用中能够满足多种类激光按时序调用的需求；且本发明的一种激光移频及功率稳定装置在激光两次通过声光调制器的基础上，借助偏振分束器分出一束光进行功率稳定，克服了移频后光功率波动较大对精密测量试验的影响，能够满足多种类激光按时序调用过程中对光功率稳定性的要求。

25、本发明的一种激光移频及功率稳定装置可应用于需要对激光同时进行频率和功率控制的系统，例如原子光学相关试验中使用的测量装置的光学系统，例如原子重力仪、原子钟等。