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適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置的制作方法

文檔序號:11619631閱讀:186來源:國知局

本發(fā)明涉及量子精密測量,具體是一種適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置。



背景技術(shù):

激光技術(shù)在量子精密測量領(lǐng)域,如原子冷卻、原子精密測量、重力場測量、驗證廣義相對論等研究中有著廣泛的應用。量子精密測量的精密測量裝置一般是通過激光束與量子系統(tǒng)的相互作用完成精密測量的。與量子系統(tǒng)相互作用的激光束(作用光)的頻率與功率的穩(wěn)定性對精密測量的準確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。對激光頻率的穩(wěn)定方法研究很多,本領(lǐng)域已報道激光頻率穩(wěn)定性已經(jīng)達到~10-12@1s,但對激光功率的穩(wěn)定性研究卻停留在較為傳統(tǒng)的方法上。傳統(tǒng)的激光功率穩(wěn)定方法是利用單次負反饋方式直接對激光器電流、溫度或pzt進行反饋控制,該方法只能對激光器的出射光的光功率、頻率進行穩(wěn)定,對激光束從激光器出射后由于后續(xù)光路結(jié)構(gòu)引入的噪聲沒有抑制作用。

在實際應用中,量子精密測量的精密測量裝置的光路系統(tǒng)非常復雜,光路系統(tǒng)所處的外界環(huán)境如溫度、振動的變化對激光器外部光路結(jié)構(gòu)和光學元件特性有明顯影響,從而影響精密測量裝置的作用光的光功率;同時,光路系統(tǒng)中包含很多與偏振相關(guān)的分光元件,激光器的出射光的偏振變化使精密測量裝置的作用光的激光功率隨之變化。此外,精密測量裝置內(nèi)部一般為超高真空環(huán)境,且具有較為復雜的光路結(jié)構(gòu),精密測量裝置內(nèi)部的光束變換、背景氣體濃度等因素也會使與量子精密測量裝置(16)內(nèi)部的量子系統(tǒng)相互作用的作用光的功率變化。因此,傳統(tǒng)的激光功率穩(wěn)定方法不能滿足對作用光的激光功率穩(wěn)定性要求嚴格的精密測量裝置的需求。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是提供一種適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置,該裝置使量子精密測量裝置中與量子系統(tǒng)相互作用的激光功率穩(wěn)定,可有效消除溫度、振動、偏振變化以及精密測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的激光功率的漲落。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:

一種適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置,其特點在于該裝置包括穩(wěn)頻激光器、第一二分之一波片、第二二分之一波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一薄膜偏振片、第二薄膜偏振片、聲光調(diào)制器、第一光電二級管、第二光電二級管、第一跨導放大器、第二跨導放大器、功率穩(wěn)定控制電路、電壓基準源、低通濾波器、聲光調(diào)制器驅(qū)動電源、第一四分之一波片、第二四分之一波片、透鏡、擋光片和第一全反鏡,上述元部件的位置連接關(guān)系如下:

沿所述的穩(wěn)頻激光器的出射光方向依次為第一二分之一波片、第一偏振分束器、聲光調(diào)制器發(fā)生聲光衍射。0級衍射光經(jīng)透鏡后被擋光片遮擋后停止傳輸;1級衍射光經(jīng)第一四分之一波片、透鏡、全反鏡返回聲光調(diào)制器進行第二次聲光衍射。所述激光束兩次通過聲光調(diào)制器,第二次衍射的1級衍射光經(jīng)第一偏振分束器反射通過第二二分之一波片進入第二偏振分束器,該第二偏振分束器將入射光分為反射光和透射光;

經(jīng)第二偏振分束器的反射光經(jīng)第一薄膜偏振片被第一光電管接收后再經(jīng)跨導放大器作為第一負反饋信號進入所述的功率穩(wěn)定控制電路;

在第二偏振分束器的透射光方向依次是第二四分之一波片和量子精密測量裝置的入射光位置,該入射光稱為作用光,所述的量子精密測量裝置具有使部分作用光返回的光路結(jié)構(gòu),在所述的量子精密測量裝置的入射位置返回的作用光經(jīng)第二四分之一波片、第二偏振分束器反射后,通過第二薄膜偏振片被第二光電管接收,再經(jīng)第二跨導放大器作為第二負反饋信號輸入所述的功率穩(wěn)定控制電路;

所述的電壓基準源的輸出端與所述的功率穩(wěn)定控制電路第3輸入端相連,所述的功率穩(wěn)定控制電路的輸出端經(jīng)所述的低通濾波器與所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動電源控制端相連,該聲光調(diào)制器驅(qū)動電源的電壓輸出端與所述的聲光調(diào)制器的驅(qū)動端相連。

所述的第一薄膜偏振片和第二薄膜偏振片為僅允許s光透過的偏振片。

所述的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置,所述的功率穩(wěn)定控制電路使用加法電路得到誤差電壓,誤差電壓等于電壓基準源的輸出電壓減去第一跨導放大器和第二跨導放大器的輸出電壓和。

所述的精密測量裝置為被測系統(tǒng),所述的精密測量裝置內(nèi)部包含可以使作用光部分返回至入射位置的光路結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:

基于聲光調(diào)制器的doublepass移頻結(jié)構(gòu),采用雙反饋方式對聲光調(diào)制器驅(qū)動電源進行控制,實現(xiàn)進入量子系統(tǒng)內(nèi)部的激光束(作用光)的激光功率的雙反饋控制,獲得穩(wěn)定的量子系統(tǒng)作用光的激光功率。本發(fā)明可有效消除了溫度、振動、偏振變化以及量子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的激光功率的漲落。

附圖說明

圖1是本發(fā)明適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置的示意圖

圖中:1是穩(wěn)頻激光器,2是二分之一波片,2’是二分之一波片,3是偏振分束器3’是偏振分束器,4是薄膜偏振片,4’是薄膜偏振片,5是聲光調(diào)制器,6是光電二級管,6’是光電二級管,7是跨導放大器,7’是跨導放大器,8是功率穩(wěn)定控制電路,9是電壓基準源,10是低通濾波器,11是聲光調(diào)制器驅(qū)動電源,12是四分之一波片,12’是四分之一波片,13是透鏡,14是擋光片,15是全反鏡,16是精密測量裝置。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明,但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

請參閱圖1,由圖可見,本發(fā)明適用于量子系統(tǒng)的雙反饋激光功率穩(wěn)定裝置,包括穩(wěn)頻激光器1、第一二分之一波片2、第二二分之一波片2’、第一偏振分束器3、第二偏振分束器3’、第一薄膜偏振片4、第二薄膜偏振片4’、聲光調(diào)制器5、第一光電二級管6、第二光電二級管6’、第一跨導放大器7、第二跨導放大器7’、功率穩(wěn)定控制電路8、電壓基準源9、低通濾波器10、聲光調(diào)制器驅(qū)動電源11、第一四分之一波片12、第二四分之一波片12’、透鏡13、擋光片14,第一全反鏡15和精密測量裝置16,上述元部件的位置連接關(guān)系如下:

沿所述的穩(wěn)頻激光器1的出射光方向依次的第一二分之一波片2、第一偏振分束器3、聲光調(diào)制器5,第一偏振分束器3的透射光經(jīng)聲光調(diào)制器5第一次衍射后形成1級衍射光和0級衍射光。0級衍射光經(jīng)第一四分之一波片12和透鏡13后被后方的擋光片14遮擋;1級衍射光鏡經(jīng)第一四分之一波片12和透鏡13后被后方的全反鏡15反射沿原路返回在聲光調(diào)制器5處發(fā)生第二次衍射。該結(jié)構(gòu)中激光束兩次通過聲光調(diào)制器5發(fā)生兩次聲光衍射移頻,稱為doublepass結(jié)構(gòu);通過該雙通結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的1級衍射光返回所述的第一偏振分束器3,經(jīng)第一偏振分束器3反射通過第二二分之一波片2’進入第二偏振分束器3’,該第二偏振分束器3’將入射光分為反射光和透射光:

經(jīng)第二偏振分束器3’的反射光經(jīng)第一薄膜偏振片4被第一光電管6接收后再經(jīng)跨導放大器7作為第一負反饋信號進入所述的功率穩(wěn)定控制電路8;

在第二偏振分束器3’的透射光方向依次是第二四分之一波片12’和量子精密測量裝置16的入射光位置,該入射光稱為作用光,所述的量子精密測量裝置16具有使部分作用光返回的光路結(jié)構(gòu)(如圖中的第二全反鏡15’),在所述的量子精密測量裝置16的入射位置返回的作用光經(jīng)第二四分之一波片12’、第二偏振分束器3’反射后,通過第二薄膜偏振片4’被第二光電管6’接收,再經(jīng)第二跨導放大器7’作為第二負反饋信號輸入所述的功率穩(wěn)定控制電路8;

所述的電壓基準源9的輸出端與所述的功率穩(wěn)定控制電路8第3輸入端相連,所述的功率穩(wěn)定控制電路8的輸出端經(jīng)所述的低通濾波器10與所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動電源11控制端相連,該聲光調(diào)制器驅(qū)動電源11的電壓輸出端與所述的聲光調(diào)制器5的驅(qū)動端相連。

本發(fā)明的工作情況如下:

所述的穩(wěn)頻激光器1的出射光依次通過第一二分之一波片2和第一偏振分束器3,通過調(diào)節(jié)第一二分之一波片2,使激光器的出射光全部透過第一偏振分束器3。透射光經(jīng)聲光調(diào)制器5、四分之一波片12、透鏡13、擋光片14和全反鏡15組成的激光束兩次通過聲光調(diào)制器5的結(jié)構(gòu)(doublepass結(jié)構(gòu))進行聲光衍射移頻。doublepass后的1級衍射光返回第一偏振分束器3經(jīng)反射通過第二二分之一波片2’和第二偏振分束器3’,該第二偏振分束器3’將入射光分為反射光和透射光,所述的反射光經(jīng)經(jīng)第一薄膜偏振片4被第一光電管6接收后再經(jīng)第一跨導放大器7作為第一負反饋信號;所述的透射光作為作用光經(jīng)第二四分之一波片12’進入量子精密測量裝置16,該作用光與量子精密測量裝置16相互作用,同時,部分作用光在量子精密測量裝置16內(nèi)部經(jīng)過反射、散射等方式后返回至透射光的入射位置,經(jīng)第二四分之一波片12’后返回至第二偏振分束器3’反射輸出,出射光經(jīng)第二薄膜偏振片4’被第二光電管6’接收后再經(jīng)第二跨導放大器7’作為第二負反饋信號。所述的第一負反饋信號、第二負反饋信號和所述的電壓基準源9輸出的基準電壓經(jīng)所述的功率穩(wěn)定控制電路8、所述的低通濾波器10輸入所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動電源11,對所述的聲光調(diào)制器驅(qū)動電源11的輸出電壓進行反饋控制。

所述的聲光調(diào)制器5、第一四分之一波片12、透鏡13、擋光片14和全反鏡15組成兩次通過聲光調(diào)制器的結(jié)構(gòu),所述的聲光調(diào)制器5產(chǎn)生的1級衍射光的頻率和功率通過電壓控制聲光調(diào)制器驅(qū)動11來調(diào)節(jié)。該結(jié)構(gòu)使得兩次衍射后的一級衍射光斑位置不會因為聲光調(diào)制器5調(diào)頻電壓的改變而變化,從而對后面光束走向無影響,后級光學元件無需因聲光調(diào)制器5調(diào)頻電壓的改變而多次調(diào)節(jié)。

實施例1

所述的穩(wěn)頻激光器1采用topticadlpro半導體激光器作為光源。

所述的第一光電二級管6、第二光電二級管6’采用pin硅管(s2386-44k,hamamatsu),光電轉(zhuǎn)換效率為0.5a/w。

所述的跨導放大器7的電流/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為106,同時跨導放大器對噪聲有一定的濾波作用,防止信號振蕩,帶寬100khz??鐚Х糯笃鞑捎镁苓\算放大器(op27)和低溫漂電阻(100kω),光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,轉(zhuǎn)換為電壓后放大10倍。

所述的電壓基準源9采用深埋層齊納二極管電壓基準源(lm399),溫度系數(shù)為0.3ppm/℃。

所述的低通濾波器10采用一階有源濾波器,環(huán)路增益的選擇需要使得環(huán)路達到足夠的帶寬,從而使帶內(nèi)噪聲得到最大的抑制,同時不能增加產(chǎn)生帶外噪聲的影響,帶寬選擇大約15.9khz。

所述的聲光調(diào)制器5采用兩次經(jīng)過同一聲光調(diào)制器5進行衍射的雙通結(jié)構(gòu)(doublepass),這樣的結(jié)構(gòu)使得衍射后的光斑位置不會因為aom調(diào)頻電壓的改變而改變,有利于保證光路的穩(wěn)定性。

所述的第一薄膜偏振片4、第二采薄膜偏振片4’采用消光比大于2萬的納米顆粒線性薄膜偏振片(lpvis050,thorlabs),將激光偏振面的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為功率的起伏,從而通過后面的功率穩(wěn)定環(huán)路將這種起伏加以修正。

所述的量子精密測量裝置16為積分球冷原子鐘,其內(nèi)部具有可以使部分作用光返回的光路結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定后的激光應用于積分球冷原子鐘的鐘躍遷探測,環(huán)路內(nèi)噪聲抑制大約為-20db/dec,其對原子鐘穩(wěn)定度的影響小于1×10-13τ-1/2,積分球原子鐘的的頻率穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-13τ-1/2。

實驗表明,本發(fā)明使量子精密測量裝置的激光功率穩(wěn)定,可有效消除溫度、振動、偏振變化以及量子系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的激光功率的漲落。

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