[发明专利]用于冷原子惯性传感器的激光源

说明书

本发明涉及一种激光源组件(10)，其被配置为照射包含气态原子(At)的真空室(E)，以便实施冷原子惯性传感器，所述原子具有至少两个基本能级，所述至少两个基本能级由包括在1和几千兆赫兹之间的基频差(δf₀)分开，所述组件包括：‑主激光器(Lm)，其发射具有主频率(fm)的光束；‑第一控制环(BA1)，其被配置为使所述主激光器的所述主频率稳定在与在所述原子的基本能级和激发能级之间的原子跃迁的设定频率的一半相对应的频率；‑从激光器(Le)，其具有从频率(fe)；以及‑第二控制环(BA2)，其被配置为相对于所述主频率(fm)稳定所述从激光器的所述从频率，‑所述从频率(fe)相对于所述主频率(fm)随时间相继偏移第一预设偏移值(δf1)、第二预设偏移值(δf2)和第三预设偏移值(δf3)，所述偏移值包括在等于所述基频差(δf₀)的一半加或减几百MHz的区间中。

技术领域

本发明涉及冷原子惯性传感器的领域。更具体而言，本发明涉及产生用于实施传感器的各种激光束所需的激光源。

背景技术

冷原子传感器在对时间(时钟)和重力场、加速度和旋转的测量中已经表现出优异的性能。在下面回顾它们的工作原理。

原子钟中采用的冷原子传感器在真空室中使用气态原子云。这些原子是使得它们有两个被称为“超精细”原子能级(level)的原子能级，它们在频率上分开δf₀的量，δf₀为千兆赫的量级，其中δf₀＝ω₀/2π，这是非常稳定且公知的。这些原子典型地是铷87的原子，其δf₀＝6.834GHz。

这些原子最初处于两个基态之一中。由角频率为ω(称为π/2脉冲)的振荡器产生的脉冲被施加到这些原子，然后等待一定时间t_f，然后施加与第一脉冲等同的第二脉冲。然后原子被分布在两个“超精细”基态之间，并且相应原子量的测量允许计算量ω₀-ω，这允许振荡器被锁定在原子振荡。

为了测量加速度，利用磁场将两个基态在空间上分开。受到加速的两个原子量的测量与下式成比例：

其中a是云受到的加速度，d是基态的空间间隔，是约化普朗克常数，并且m是原子的质量。

例如通过在频域中测量Ramsey干涉仪(典型地如在光学中的Mach-Zehnder干涉仪中)的条纹移动来测量加速度。

测量旋转速度需要对Sagnac效应灵敏。为了实现这个目的，原子在包含一区域的闭合路径上行进，两个内部状态沿相反方向在该路径上行进。

为了产生利用上述效应的冷原子惯性传感器，测量包括三个主要阶段，即冷却阶段、泵浦阶段和检测阶段。

作为非限制性示例，下文针对铷87原子描述传感器的原理，铷87是最常用的原子类型，但可以使用具有相同类型的原子结构的其它碱原子，例如铷85(δf₀＝3.0GHz)、铯(δf₀＝9.2GHz)、钠(δf₀＝1.7GHz)或钾40(δf₀＝1.3GHz)的原子。

图1示出了铷的感兴趣的主要原子能级。

两个基本能级F＝1和F＝2分开了δf₀＝6834MHz。激发能级F’＝0,1,2或3是通过在780nm附近进行光学激发而获得的，并且彼此分开包括在50MHz和300MHz之间的量。

图2示出了在三个前述阶段中所需要的频率。