[发明专利]一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，属于原子干涉仪技术领域。

背景技术

原子干涉仪是基于物质波干涉原理，利用激光对冷原子束进行分束、反射、合束从而实现原子的干涉。原子干涉仪可以精密测量物理常数，检验量子力学和广义相对论等基本物理理论。由于原子具有质量，原子干涉仪还可以作为灵敏的惯性传感器，可精确测量重力加速度、角速度等，从而在导航、探矿、地震预报、环境监察方面有重要应用。

通常使用拉曼激光对原子束进行分束、反射以及合束。拉曼激光是两束具有固定频率差和相位差的激光。可以使用一个激光器产生激光，然后将其分为两束，在各自的路径上使用声光调制器和电光调制器对激光进行移频，获得具有固定频差的拉曼激光。这两束激光之间的相位差是否恒定对原子干涉仪的测量精度有很大的影响，因此降低拉曼激光系统的相位噪声尤为重要。

光路中光学器件振动引起的相位噪声对拉曼激光系统的相位噪声有着一定的影响，为尽可能地降低拉曼激光系统的相位噪声，传统的方法是将激光系统进行被动隔振或利用加速度计测出振动噪声，最后在测量时进行补偿，显然上述补偿方法比较复杂，而且还需要额外的器件辅助测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置及方法，可以用于拉曼激光系统中相位差的检测、调节和补偿。

一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿装置，包括激光光源、分束 器、电光调制器、声光调制器、合束器、半透半反镜、相位调制器、起偏器、光电探测器、低噪声微波放大器、混频器、低通滤波器、模数转换器、FPGA、数模转换器、低频放大器、移相器；

激光光源发出的激光进入分束器，分束器的一端输出端与电光调制器的输入端相连，分束器的另外一端输出端与声光调制器的输入端相连，电光调制器的输出端与声光调制器的输出端一同输入合束器，合束器输出的拉曼激光进入半透半反镜，半透半反镜形成透射激光和反射激光，反射激光进入相位调制器，相位调制器的输出端与起偏器的输入端相连，起偏器的输出激光进入光电探测器，光电探测器的输出端与低噪声微波放大器的输入端相连，低噪声微波放大器的输出端与混频器的输入端相连，混频器的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出信号进入FPGA，FPGA的输出信号进入数模转换器，数模转换器的输出端与低频放大器的输入端相连，低频放大器的输出信号进入移相器，移相器的输出端与声光调制器的输入端相连。

一种基于闭环反馈的拉曼激光系统相位噪声自动补偿方法，激光光源输出的激光经过分束器分为两束激光，一束激光通过电光调制器移频，另一束激光通过声光调制器移频，移频后的两束激光经过合束器合成拉曼激光，在拉曼激光的输出端安装一个半透半反镜，获取小部分激光作为反馈系统的输入，该拉曼激光信号的形式如下：

I(t)＝I₀[1+cos(2πft+φ_L(t)+φ_S(t))](1.1)

其中：I₀为光电流的幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频率差，φ_L(t)为光路的相位噪声，φ_S(t)为微波源的相位噪声；

为了提取两束激光的相位差，首先需要对拉曼激光进行相位方波调制，调制使得两束激光的相位差为或然后对调制后的激光进行起偏，起偏后的光信号进入探测器，探测器将光信号转换为微波信号，忽略光频项后，该被测微波信号形式如下：

U(t)＝U₀cos(2πft+φ_L(t)+φ_S(t)+φ_M(t)) (1.2)

其中：U₀为电压幅值，f＝6.834GHz，为两束激光的频率差，φ_L(t)为光路的相 位噪声，φ_S(t)为微波源的相位噪声，φ_M(t)为调制信号，调制信号形式如下：

其中：T为调制信号的周期；

为提取φ_L(t)分量，引入参考微波信号，通过混频器将被测微波信号进行下变频，该参考微波信号与被测微波信号由同一个微波源产生，忽略参考微波信号和被测微波信号之间的时间延迟，参考微波信号形式如下：