[实用新型]一种用于原子干涉仪的集成光学装置

说明书

本实用新型公开了一种用于原子干涉仪的集成光学装置，属于基于原子干涉仪的精密测量技术领域。本装置包括主体框架(10)及设置在主体框架(10)上的激光发生组件(20)、调制分束组件(30)、稳频组件(40)和光纤耦合器组件(50)；激光发生组件(20)、调制分束组件(30)和光纤耦合器组件(50)依次交互；激光发生组件(20)、稳频组件(40)闭环交互。本实用新型一方面解决了现有的原子干涉仪光学装置的功能需求与集成化及稳定性之间的矛盾；另一方面解决了现有的原子干涉仪光学装置中构成拉曼光的双频成分的光强比例缺乏远程调节手段的问题。

技术领域

本实用新型属于基于原子干涉仪的精密测量技术领域，尤其涉及一种用于原子干涉仪的集成激光装置。

背景技术

基于激光冷却和囚禁中性原子技术发展起来的原子干涉仪技术，已经被应用于重力、重力梯度、转动等惯性物理量的精密测量领域。简要来说，原子干涉仪利用频差等于原子两个下能级超精细劈裂的一对激光(或称为一束双频激光，在原子物理领域称之为拉曼光)对被激光冷却的(热运动极其微弱的)原子进行分束、反射以及合束操作，并将空间依赖的激光相位写入原子的态叠加相位，最终通过测量原子的态叠加相位得到原子在空间中的运动状态从而计算出参考系的重力或转动信息。光学系统作为实用化原子干涉仪的重要组成部分，需要满足集成化、轻量化、鲁棒性等要求。迄今为止，研究人员及工程师们已经研制出用于实用化原子干涉仪的光学系统，如文献(A portable laser system for high-precision atom interferometry experiments,M.Schmidt等，Applied Physics B,第102卷，11-18页，2011年)。该光学系统采用了四个模块以实现重力测量所需的冷却光、回泵光、拉曼光以及探测光，占用了19英寸机柜中的四层机位，集成度和重量控制都不理想。而且据文中所述，尽管采用了气囊进行减震，在冰雪路面上的运输仍然导致了光纤输出30％的下降，这与其主体框架的不稳定性有很大关系。此外，该光学系统中构成拉曼光的双频成分的光强比例缺乏远程调节的手段，而该光强比例的稳定性直接决定了测量结果的稳定性，因此无法在实验室外恶劣环境中实现光强比例的反馈锁定，不利于进行野外实地测量。为了提高光学系统的集成度和稳定性，有研究人员提出并实现了一种简化的光学系统方案，即去掉了原子的二维预冷却(物理领域称为二维磁光阱或2D-MOT)功能和原子喷泉功能(不令原子先上抛再下落，而是直接原地释放)，如文献(A cold atom pyramidal gravimeterwith a single laser beam，Q.Bodart等，Appl.Phys.Lett.第96卷,134101页，2010年)以及文献(Realization of a compact one-seed laser system for atominterferometer-based gravimeters,J.Fang等，Optics Express,第26卷，1586-1596页，2018年)。然而，由原子干涉仪的测量原理可知，对于三脉冲原子干涉仪，原子干涉条纹的相移(同噪声水平下等效于最终的测量灵敏度)与在测量过程中原子的自由飞行时间T的平方成正比，公式表示为其中k_eff为激光的波矢量。由此可知，在相同尺寸的干涉区域内，释放型原子干涉仪的测量灵敏度仅为喷泉型原子干涉仪的1/4。而去掉二维预冷却装置又成倍地降低了冷原子的制备速度，延长了测量耗费的时间，也导致测量灵敏度的下降(测量灵敏度反比于测量总时间的平方根)。因此，上述简化方案是以牺牲原子干涉仪的测量灵敏度为代价的，难以满足高灵敏度测量的需求。由此可见，在满足高灵敏度冷原子干涉仪的功能需求的同时，如何提高光学系统的集成度以及稳定性是一项有待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种用于原子干涉仪的集成激光装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

具体地说，本装置包含主体框架及设置在主体框架上的激光发生组件、调制分束组件、稳频组件、光纤耦合器组件；