[发明专利]一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置

说明书

本发明公开了一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置，射频功率探测器对低通滤波器输出的频率锁定的锁频信号进行探测得到频率误差信号，频率误差信号输入到伺服反馈系统，伺服反馈系统根据频率误差信号生成频率调节信号，并将频率调节信号输入到第一从激光器，将回泵光进行调节锁定到主激光器对应的原子谱线锁定频率。锁相环输出相位误差信号到拉曼光伺服反馈系统，拉曼光伺服反馈系统根据相位误差信号生成相位调节信号，并将相位调节信号输入到第二从激光器，从而锁定相位。本发明针对原子干涉仪而言，整个锁频锁相部分具有紧凑性，将对回泵光的锁频和对拉曼光的锁相整合成了同一模块，前置光路和电路可以通用。

技术领域

本发明涉及原子干涉领域，更具体涉及到一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置。

背景技术

随着激光冷却和俘获技术的发展，原子干涉、原子钟、原子芯片导引等领域发展迅速。原子干涉基于粒子波动性的原理，利用物质波代替光波，在不同路径传播，通过检测相干相位差来获得路径信息。原子干涉仪主要由：冷原子制备、原子相干操纵和干涉相位探测三部分组成。整个系统涉及到的光学部分都需要对激光进行稳频，并且频率的稳定性对系统的灵敏度、精度和信号的强弱都很重要，在原子干涉仪的第三部分，原子干涉相位的探测中需要利用锁相技术实现原子相干相位差的锁定。原子干涉仪需要多束功率、频率、时序不同的激光束来完成冷却、回泵、干涉和探测等操作。

在原子干涉仪中用到的稳频锁相方案主要有：第一类是利用原子谱线进行锁频例如饱和吸收谱、兰姆凹陷和调制转移谱等，第二类是利用光学锁相环进行锁相进而锁频，第三类是利用主、从激光器之间拍频进行锁频。饱和吸收谱等利用原子谱线锁频的方法，锁频点限制于原子本身的跃迁，虽然锁频点比较准确但是锁频范围限制较大，本发明主要利用的是第三种方案拍频锁频的方法，不同拍频锁频法的主要区别在于误差信号的产生方式，在文献U.Schünemann,H.Engler,R.Grimm,M.Weidemüller,M.Zielonkowski,Rev.Sci.Instrum.70,242(1999)中报道了一种用电子线延迟进行拍频的方案，这种方案的主要问题是会在误差信号处产生一些零点交叉，并且如果应用在原子干涉仪中零点交叉会引入额外的噪声。在文献T.Stace,A.Luiten,R.P.Kovacich,Meas.Sci.Technol.9,1635(1998)中报道了一种频率-电压转换器，后逐渐发展成为商用鉴频器，这种方案的主要问题是在高频区适用性会差一些并且价格相对较贵，高精度原子干涉仪的扫频要求比较高，对应的锁定范围较广。还有一种方案是采用滤波器进行锁频，在文献G.RITT,G.CENNINI,C.GECKELER,M.WEITZ.Appl.Phys.B 79,363–365(2004)，中报道了一种利用高通滤波，在文献G.Puentes.Appl Phys B(2012)107:11–16中报道了一种利用高通滤波和低通滤波器频率交叉点作为锁频点，但这种方法扫频范围小，对锁频点的限制比较大，并且对于高精度原子干涉仪而言锁频范围是在对应的原子谱线附近的，这两种锁频都需要利用EOM(电光调制器)或者AOM(声光调制器)进行移频，增加了额外的电子元件噪声不利于提高仪器精度。

本发明主要针对原子干涉仪领域，利用调制转移谱对主激光器的频率进行锁定，利用低通滤波和混频器来对从激光器进行拍频锁频，并且将低通滤波前模块进行紧凑整合成为即可进行稳频又可进行锁相的前置模块。这种方案可以获得线性误差信号的反馈，可以在任意频率范围进行调节，并且仅受限于电子元件的带宽。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于原子干涉仪的紧凑型拍频锁频锁相装置。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：