[发明专利]基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法

说明书

本发明公开了一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，涉及原子干涉领域，用于冷原子干涉仪。本系统的结构是：种子激光器单元（10）和激光分束单元（20）前后交互，激光分束单元（20）分别与激光调制单元（30）和原子滤光单元（40）交互，原子滤光单元（40）和激光调制单元（30）交互，原子滤光单元（40）、功率放大单元（50）和激光控制单元（60）依次交互。本发明是通过一个原子滤光器将种子激光器频率锁在它的透射峰上，同时用该原子滤光器对激光调制单元输出的光束进行滤光，滤除多余边带，来去掉多余边带对原子干涉仪测量精度的限制。本发明将推动原子干涉仪的小型化和应用。

技术领域

本发明涉及原子干涉领域，尤其涉及一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，用于冷原子干涉仪。

背景技术

原子干涉仪作为一种新型的高精度测量工具，已被应用于重力、重力梯度和转动的高精度测量，也被用于基础物理的研究，如验证等效原理，寻找引力波源等。原子干涉仪的小型化是原子干涉仪发展的趋势。美国斯坦福大学已经研制出小型原子干涉仪的原理样机，用于重力梯度测量和地球转动的测量。利用小型原子重力仪从太空描绘地球重力场和在太空检验弱等效原理的科学实验项目也正在稳步推进中。小型原子干涉仪将在资源勘探、环境监测和基础物理研究等方面发挥重要作用。

拉曼激光光学系统对小型原子干涉仪来说非常关键。拉曼激光光学系统主要用于产生操纵原子形成干涉所需的拉曼激光。拉曼激光的性能直接决定原子干涉仪的测量精度、可靠性和环境适应性。拉曼激光的产生方案是影响拉曼激光的性能和拉曼激光光学系统的集成度和可靠性的主要因素。此外，减少光学器件数量、缩短光路也是提高拉曼激光性能和拉曼激光光学系统集成度和可靠性的另外一个重要的途径。

目前，原子干涉仪的拉曼激光主要通过拍频锁相(OPLL)、电光调制器(EOM)调制和AOM移频方案产生。AOM移频方案产生拉曼激光的效率低并且对震动噪声敏感，不适合用于小型原子干涉仪。德国洪堡大学A.Peter研究小组为可搬运原子重力仪研制的集成光学系统采用拍频锁相方案。他们将两台独立的激光器进行拍频锁相来获得拉曼激光(M.Schmidtet al，Appl Phys B，102:11-18，2004)，但该方案产生的拉曼激光的相位噪声受限于反馈带宽和射频参考源的相位噪声，并且需要两台激光器，光路和电路复杂。目前，小型原子干涉仪中主要采用电光调制器(EOM)调制的方法来产生拉曼激光。由电光调制器(EOM)调制的方案产生的拉曼激光的优点是由于震动通过光路中光学元件引入的相位噪声是共模的，可以完全消除，不影响原子干涉仪的精度。缺点是该拉曼激光束中存在多余边带，边带之间形成多对拉曼激光。多对拉曼激光相互干扰，引入附加相位噪声，从而限制原子干涉仪的测量精度(8×10^-8g)。此外，多对拉曼激光使得拉曼激光的脉冲(π/2或π脉冲)的效率依赖于原子的位置，不利于充分利用干涉区长度来增加原子的自由演化时间T。因而在实验室建设的高精度原子干涉仪中不采用电光调制方案来产生拉曼激光。为了消除边带的干扰，法布里-珀罗(FP)腔被用于滤除多余边带，保留±1级边带作为拉曼激光，但该腔本身对震动和温度敏感，不适合震动噪声大的环境，并且±1级的光强相同，不能通过调制光强比例来消除一阶塞曼效应。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种基于原子滤光器的拉曼激光光学系统及其滤光方法，具有低噪声、抗震和可靠的特点。

本发明的目的是这样实现的：

利用同一个原子滤光器既对种子激光器进行稳频，又对电光调制器(EOM)输出的调制光束进行滤光；稳频的结果是在不借助任何电光调制器(EOM)或移频元件(AOM)的情况下，获得拉曼激光所需要的大失谐，使光路简化，稳定性提高；滤光的结果是将调制光束中的拉曼激光所需的两个频率成份(载波和+1级边带或载波和-1级边带)保留，而将其余频率成份滤除，从而移除多余边带对原子干涉仪精度的限制，同时拉曼激光的两个频率成份的光强比例可调，可消除一阶塞曼效应的影响。

具体地说：