原子干涉儀中激光頻率和光強控制系統(tǒng)的設(shè)計

胡朝暉，楊 婷，亓 魯

(1.北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點實驗室，北京100191;2.北京航空航天大學(xué)新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室，北京100191)

1 引言

由于和中子、光子一樣具有波粒二象性，原子可以實現(xiàn)類似光學(xué)干涉儀的原子干涉儀。原子干涉儀是用一冷原子束以兩個不同的拓撲路徑傳播，構(gòu)成類似光學(xué)Mach-Zehnder型干涉儀，測量由于兩原子束通過不同路徑引起的相位差。1991年由斯坦福大學(xué)Steven Chu等人首次實現(xiàn)脈沖式原子干涉儀以來，原子干涉儀在牛頓引力常數(shù)、角速度測量等領(lǐng)域就以其超高的理論靈敏度得到了廣泛高度關(guān)注，并在近幾年得到迅猛發(fā)展。2000年，耶魯大學(xué)T.L.Guatavson等人采用相向傳播的兩束原子進行角速度測量;2006年，法國B.Canuel等人利用冷原子團對拋研制了6軸慣性敏感器，實現(xiàn)多個慣性參數(shù)的測量。

原子干涉儀中一個重要部分是激光冷卻原子，其基本原理為:行進中的原子被相向的激光照射，激光頻率和原子振頻一致，原子就會吸收迎面而來的光子受激躍遷到高能態(tài)，因而動量減小。原子處在高能態(tài)后又會向各個方向發(fā)射光子，因此，原子的動量減小，速度減小。其中，原子所處的態(tài)取決于以下參數(shù):激光能量、相互作用時間和激光頻率。另外在相互作用后，不同能級上的原子數(shù)目取決于激光相位。另外一個基礎(chǔ)是激光操控原子，即用一定的激光光束照射原子，使得原子團發(fā)生分裂、偏轉(zhuǎn)、匯合。綜上所述，激光對于原子干涉儀非常重要。

對于激光的控制，主要包括對頻率、相位及光強的控制。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要是實現(xiàn)激光移頻、光強穩(wěn)定及調(diào)制的功能。

對于激光移頻，目前廣泛使用電光調(diào)制器和聲光調(diào)制器等移頻器件實現(xiàn)，方法主要有鎖相環(huán)技術(shù)和直接頻率合成技術(shù)兩大類［1－2］。鎖相環(huán)技術(shù)相位噪聲低，雜散小，在頻率分辨力要求不高及設(shè)計成本方面考慮，在本系統(tǒng)中采用鎖相環(huán)進行移頻。對于激光光強控制，一般方法采用兩個AOM［3］，一個穩(wěn)定激光光強，一個光強調(diào)制。但是這種系統(tǒng)中器件排布必須滿足一定光程，造成光學(xué)布局龐大。另外一種方法是使用一個聲光調(diào)制器［4］，這種方法對于第一種方法光程短、易調(diào)節(jié)，更方便使用。

根據(jù)原子干涉儀對激光的要求，研究原子能級躍遷量化參數(shù)和干涉儀工作過程及原理，基于聲光調(diào)制器［5－10］設(shè)計了一套激光頻率和光強控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有激光移頻、光強穩(wěn)定和調(diào)制，同時還可以實現(xiàn)光束通斷的控制。為了提高系統(tǒng)中鎖相環(huán)路的性能，設(shè)計了集成鎖相頻率合成器。實驗證明，設(shè)計的激光頻率和光強控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個預(yù)期功能，并具有穩(wěn)定性好、速度快等優(yōu)點。

2 激光頻率和光強控制系統(tǒng)的理論分析

2.1 原子能級及原子干涉儀原理

原子干涉儀中原子的能級結(jié)構(gòu)決定了激光的主要參數(shù)，因此首先分析原子特性。

系統(tǒng)中選用133Cs原子，其基態(tài)的主量子數(shù)n=6，軌道角動量量子數(shù)l=0，用62S1/2表示，其中S表示l=0，上角標“2”表示該態(tài)為一個雙重態(tài)，下角標“1/2”為總角動量量子數(shù)。兩個最低激發(fā)態(tài)是62P1/2、62P3/2(P表示l=1)。從基態(tài)到這兩個激發(fā)態(tài)的躍遷分別稱作D1線和D2線。我們采用D2線作為基準激光的頻率，其能級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 133Cs原子D2線能級結(jié)構(gòu)示意圖

D2線對應(yīng)的基態(tài)62S1/2有兩個超精細能級F=3和F=4，分別對應(yīng)不同的原子自旋態(tài)，這里F=I+J代表原子體系總角動量量子數(shù)，I表示核自旋角動量量子數(shù)，J表示價電子總角動量量子數(shù)。每一條超精細能級在磁場作用下被分成(2F+1)條塞曼子能級〉。 因 為和對磁場不敏感，因此在原子干涉實驗中作為基準能級。

62P3/2激發(fā)態(tài)包含 4 級:F'=2，F(xiàn)'=3，F(xiàn)'=4，F(xiàn)'=5，這些能級是準備到達的激發(fā)態(tài)。當與角動量選擇規(guī)則結(jié)合時，會形成閉環(huán)循環(huán)躍遷，進而更加有效地冷卻和捕獲原子。

從基態(tài)F=4躍遷到激發(fā)態(tài)F'=5的頻率作為冷卻133Cs原子的冷卻光，而為了使該光束能更準確的與原子作用，需要光束的頻率有一定的偏移，如圖1中Δ標識的偏移。根據(jù)選擇定則，在此過程中處在激發(fā)態(tài)的原子有一定概率自發(fā)輻射落到基態(tài)F=3上，這樣冷卻光無法與該基態(tài)的原子繼續(xù)發(fā)生作用，無法完成循環(huán)躍遷，因此需要同時提供再泵浦光，將落在F=3的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，使得原子進入循環(huán)躍遷中。

原子干涉儀在將原子冷卻捕獲之后，要利用磁導(dǎo)引技術(shù)將冷原子團裝載導(dǎo)引完成后進行干涉。裝載磁導(dǎo)引過程中，光抽運的冷卻光、再泵浦光和冷卻捕獲過程中冷卻光、再泵浦光的原理類似，躍遷過程如圖1中所示，分別是從F=3躍遷到F'=3，從F=4躍遷到F'=4上。

當冷原子制備成功后，下一步進行原子干涉。本系統(tǒng)采用原子Talbot-Lau效應(yīng)，利用兩束相向的激光束形成駐波場。原子團首次經(jīng)過駐波場之后分成相干子波，再次經(jīng)過時，這些子波產(chǎn)生干涉，并在一定的Talbot距離處自成像，獲得干涉條紋。再利用布拉格背向散射檢測等方法［9－14］檢測幅值和相位信息。

由此可見，在原子干涉儀中需要多種頻率的激光，為此需在一個或兩個激光器基礎(chǔ)上，通過移頻實現(xiàn)。本系統(tǒng)中選用兩個激光器，其頻率分別為圖1中的激光穩(wěn)頻1和激光穩(wěn)頻2。從F=4和F=3躍遷的頻率分別由激光穩(wěn)頻1和激光穩(wěn)頻2產(chǎn)生。激光穩(wěn)頻1所需的移頻值是114 MHz和125 MHz，激光穩(wěn)頻2所需的移頻值是200 MHz和201.5 MHz。所以整個系統(tǒng)中移頻器件所需調(diào)節(jié)范圍是114～201.5 MHz。除移頻之外，系統(tǒng)還要求移頻的穩(wěn)定性、再泵浦等光束光強的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性、磁光阱和駐波脈沖等階段激光的快速通斷等功能。為此本文所設(shè)計的激光頻率和光強控制系統(tǒng)需實現(xiàn)上述功能，并滿足上述移頻等指標。

2.2 聲光調(diào)制器頻率和光強控制原理

在對激光進行調(diào)節(jié)和控制的器件中，聲光調(diào)制器(AOM)是廣泛使用的器件之一。由于AOM具驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性高及易于控制，使其在原子光學(xué)領(lǐng)域被廣泛采用。

當波長為λ的一束激光以布拉格角θB入射到AOM上并且AOM自身產(chǎn)生的超聲波波長Λ和介質(zhì)中聲光作用長度L滿足:

就會發(fā)生布拉格衍射，從而實現(xiàn)對入射光頻率、方向和振幅的調(diào)制。式中，Q為聲光失配度;n為介質(zhì)的折射率。

θB以及入射光與衍射光的0級光、1級光和超聲波的頻率 fi，f0，f1，fs滿足下式:

由此可見，AOM可通過超聲波的頻率對入射光的頻率進行調(diào)制，形成1級衍射光的頻率。通過具體量化每一束激光的移頻數(shù)值，控制AOM電壓產(chǎn)生的超聲波頻率實現(xiàn)激光頻率變化。

設(shè)入射光束的強度為I，則1級光的強度I1為:

其中，M2為聲光優(yōu)值;L，H分別是換能器的長度和寬度;P為介質(zhì)中超聲波的功率;K1為常數(shù)。又因超聲波的功率與施加在換能器上的電壓V的平方成正比，所以改變所加電壓V，就可以改變1級衍射光的強度，實現(xiàn)對激光光束的光強控制。

3 激光頻率和光強控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基本控制系統(tǒng)設(shè)計

在銫原子原子干涉儀中，激光頻率和光強控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。LabVIEW程序用于控制整個激光系統(tǒng)的時序、微控制器的命令寫入，并通過NI公司的數(shù)據(jù)采集卡DAQmax控制壓控振蕩器、衰減器和高速開關(guān)等儀器。微控制器采用STC12C5A60S2型號，將寫入分頻數(shù)值傳送給鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)由鑒頻鑒相器(PFD)、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成。經(jīng)過鎖相之后的信號頻率被鎖定在指定頻率處，該頻率信號經(jīng)衰減器實現(xiàn)對信號幅值的調(diào)制，再經(jīng)高速開關(guān)實現(xiàn)對AOM一級衍射光通斷的高速控制，最后控制信號經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動AOM。其中，衰減器和高速開關(guān)也由上位機控制。由此系統(tǒng)即實現(xiàn)對激光的移頻、光強調(diào)制、高速通斷等功能。

圖2 基本控制系統(tǒng)示意圖

其中，系統(tǒng)時鐘是保證各個光束相位相同，鎖相環(huán)的鑒相芯片采用AD公司生產(chǎn)的鎖相芯片ADF4001，濾波器采用有源二階后置濾波器，壓控振蕩器采用Mini-Circuits公司的POS－200。衰減器、高速開關(guān)和功率放大器分別采用Mini-Circuits公司的PAS－1+、ZASWA－2－50DR+和AN－60－008。

3.2 激光頻率和光強控制整體系統(tǒng)

在基本控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將光電探測器、比較放大電路加入，可以對激光光強進行控制，得到激光頻率和光強控制的整體系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

PLL產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)衰減器、高速開關(guān)和功率放大器之后，作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動進入AOM。AOM輸出的1級光經(jīng)過分束器后分為兩部分，其中透射光作為原子干涉儀需要的光束輸出，反射光則經(jīng)過光電探測器(PD)轉(zhuǎn)換成電壓信號之后和設(shè)定的基準電壓信號比較。若輸入激光功率穩(wěn)定，則產(chǎn)生的比較差值為0，衰減倍數(shù)不改變，AOM輸出光強保持穩(wěn)定。若輸入激光功率增加，則1級衍射光的光強增加，光電轉(zhuǎn)換后的電壓增加，與基準信號的比較差值為負值，衰減器的衰減倍數(shù)增大，使得加在AOM上的電壓降低，經(jīng)過AOM的1級衍射光的光強減弱。反之，若輸入激光功率下降，則可以補償1級衍射光的光強增大。這樣通過這種方法，實現(xiàn)了光強穩(wěn)定控制。

圖3 原子干涉儀中激光頻率和光強控制系統(tǒng)示意圖

綜上所述，整個激光頻率和光強控制系統(tǒng)將激光頻率控制和光強控制集成一體，通過巧妙的設(shè)計各處電路的通斷，實現(xiàn)不同的功能要求。比如，當需要移頻并按照一定時序通斷激光時，可以將圖3中下半部分的比較放大電路斷開，這樣移頻、高速通斷以及頻率穩(wěn)定的功能均可以實現(xiàn)。

4 實驗結(jié)果

檢驗這套激光頻率和光強控制系統(tǒng)的各項功能實現(xiàn)，根據(jù)前面得到的移頻范圍114～201.5 MHz，首先測量移頻114 MHz時的穩(wěn)頻性能。

設(shè)計的鎖相環(huán)鎖定時間小于3 ms，優(yōu)于大部分鎖相環(huán)的鎖定時間，且相位噪聲優(yōu)于90 dBc@1 kHz，性能良好。利用頻譜分析儀得到的衰減器和功率放大器的輸出信號分別如圖4和圖5所示。

圖4 衰減器輸出端信號頻譜圖

從圖4、圖5中的頻譜圖可以看到，圖4中衰減器輸出信號的中心頻率為114.0 MHz，中心頻率處信號強度為－13.39 dBm，線寬約為190 Hz，信噪比達50 dB;圖5中中心頻率為114.0 MHz，中心頻率處信號強度為12.10 dBm，線寬約為130 Hz，信噪比為25 dB。可以看出AOM(Model 3110－120，Crystal Technology)驅(qū)動信號的頻率基本穩(wěn)定在114 MHz處，而且電信號的功率處在AOM輸入范圍內(nèi)。

圖5 AOM輸入信號頻譜圖

進一步利用光電探測器(Model 2307，New Focus)測試光強穩(wěn)定性能。在穩(wěn)光前，AOM輸出光的光強極易受到外界擾動而變化，光電探測器輸出電壓最大變化為5 mV。然后將光電探測器和比較電路等連通形成穩(wěn)定光強的回路，得到的穩(wěn)光后光電探測器輸出電壓最大變化約0.1 mV。由此可見，采用光強穩(wěn)定系統(tǒng)后，輸出光強的波動僅為原波動的2%，較好地實現(xiàn)了激光光強穩(wěn)定功能。

最終通過實驗驗證，針對不同移頻范圍的AOM，圖3所示的系統(tǒng)可以實現(xiàn)的移頻范圍是100～207 MHz，且移頻后頻率穩(wěn)定，可以實現(xiàn)光強的穩(wěn)定和調(diào)制以及激光束的快速通斷等各項功能。

5 結(jié)論

根據(jù)銫原子干涉儀原理和各階段對激光的不同要求，研制了一套控制激光頻率和光強的系統(tǒng)，實現(xiàn)了激光頻率的偏移和穩(wěn)頻以及光強的穩(wěn)定和調(diào)制等功能。實驗表明，激光可以移頻114 MHz，且偏移范圍可達到100～207 MHz;穩(wěn)光后的輸出功率波動減小為穩(wěn)光前的2%。所研制的系統(tǒng)符合基于銫原子的原子干涉儀對激光的功能和指標要求。該系統(tǒng)成本低，效率高，可以廣泛應(yīng)用在原子鐘、原子重力梯度儀和納米刻蝕等系統(tǒng)［10，15－17］。

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