[发明专利]一种基于马赫曾德干涉仪的拉曼激光光程匹配系统

权利要求书

1.一种基于马赫曾德干涉仪的拉曼激光光程匹配系统，包括激光光源、第一1/2λ波片、第一偏振分光棱镜、电光调制器、第一45°反射镜、Fabry-Perot标准具、第二1/2λ波片、第二45°反射镜、第三1/2λ波片、第二偏振分光棱镜、第一光纤耦合器、第一保偏光纤、光纤准直器、激光分束器、声光调制器、激光扩束器、第一1/4λ波片、第一原子团、第二原子团、第二1/4λ波片、零度反射镜、第二光纤耦合器、光纤偏振分束器、第二保偏光纤、第三保偏光纤、高速光开关、第四保偏光纤、第五保偏光纤、Y波导、光纤偏振合束器、高速光电探测器、反馈电路系统；

激光光源输出激光通过第一1/2λ波片后进入第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜将输入激光分为透射激光和反射激光；其中透过第一偏振分光棱镜的激光进入电光调制器，电光调制器的输出激光由载波、所需的一阶调制边带以及高阶调制边带组成；电光调制器的输出激光由第一45°反射镜反射后进入Fabry-Perot标准具，Fabry-Perot标准具滤除多余的激光频率成份，其输出激光为所需的一阶调制边带；Fabry-Perot标准具的输出激光经过第二1/2λ波片后被第二偏振分光棱镜反射，该反射激光输入到第一光纤耦合器；其中被第一偏振分光棱镜反射的激光由第二45°反射镜反射后透过第三1/2λ波片，第三1/2λ波片的输出激光透过第二偏振分光棱镜后输入到第一光纤耦合器；第一光纤耦合器的输出端通过第一保偏光纤与光纤准直器相连，光纤准直器的输出激光进入激光分束器，激光分束器将输入激光分为反射激光和透射激光；其中，反射激光进入声光调制器，声光调制器作为高速光开关产生所需的脉冲激光；声光调制器的输出激光进入激光扩束器，激光扩束器的输出激光先后经过第一1/4λ波片、第一原子团、第二原子团、第二1/4λ波片后被零度反射镜反射，然后再先后通过第二1/4λ波片、第二原子团、第一原子团；其中，透射激光进入第二光纤耦合器，第二光纤耦合器的输出端与光纤偏振分束器的输入端相连，光纤偏振分束器的左输出端通过第二保偏光纤与光纤偏振合束器的左输入端相连；光纤偏振分束器的右输出端通过第三保偏光纤与高速光开关的输入端相连，高速光开关的左右两个输出端分别通过第四保偏光纤、第五保偏光纤与Y波导的左右两个输入端相连；Y波导的输出端与光纤偏振合束器的右侧输入端相连，光纤偏振合束器的输出激光进入高速光电探测器；高速光电探测器的输出端与反馈电路系统的输入端相连，反馈电路系统的输出端与电光调制器的调制信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于马赫曾德干涉仪的拉曼激光光程匹配系统，所述的激光光源的输出激光的频率为ω，EOM调制频率为ω_m；假设被调制的激光在t时刻从下往上激发原子，而未被调制的激光经过垂直反射后从上往下激发原子，垂直反射导致的额外光程记为ΔL；只考虑激光光源的相位噪声的影响，在同一时刻与原子相互作用的两束激光分别表示为：

其中，E₁，E₂分别为从下往上和从上往下激发原子的激光的振幅，φ₀(t)为激光光源的相位抖动；τ₀＝ΔL/c是垂直反射导致的时间延时，c是光速；原子感受到的这两束激光的相位差为：

ΔΦ(t)＝ω_mt+ωτ₀+φ₀(t)-φ₀(t-τ₀) (3)

其中，ΔФ为两束激光的相位差，φ₀(t)-φ₀(t-τ₀)是影响重力仪测量精度的误差项；首先使用光电探测器检测这两束激光的拍频，然后将拍频信号与参考频率源进行鉴频、鉴相，将两束激光的相位误差信号提取出来，然后通过反馈电路将这两束激光的相位误差信号反馈回EOM的调制信号，从而改变上路激光的相位，实现该相位误差的消除；

具体的，与原子同一时刻，光电探测器接收到的两束激光的相位分别为：

设L_up为参考激光，E′₁，E′₂分别为光电探测器接收到的两束激光的振幅，τ₁是被调制的激光经过光纤马赫曾德干涉仪的左臂到达光电探测器与参考激光的时差；τ₂是未被调制的激光经过光纤马赫曾德干涉仪的右臂到达光电探测器与参考激光的时差；探测器感受到的这两束激光的相位差为：

ΔΦ′(t)＝ω_m(t-τ₁)+ω(τ₁-τ₂)+φ₀(t-τ₁)-φ₀(t-τ₂) (6)

其中，ΔФ′为探测器感受到的这两束激光的相位差，ω_mt项在鉴频过程中被消除；

使得τ₁＝0以及τ₂＝τ₀，通过切换高速光开关实现光纤马赫曾德干涉仪的两种光程差的切换；具体来说，光纤马赫曾德干涉仪两臂长度应该满足下式：

L_a＝L₀+2ΔL_a (7)

L_b＝L₀+2ΔL_b (8)

其中，L₀为光纤马赫曾德干涉仪左臂的光程，L_a、L_b分别为高速光开关在左侧导通和右侧导通时光纤马赫曾德干涉仪右臂的光程，ΔL_a、ΔL_b分别为原子团处于最高点和最低点时与零度反射镜的距离；

如果在关注的频段范围内反馈环路增益为K，那么经过反馈后剩余的相位误差项约为：

其中，φ_r为剩余相位误差；此时，剩余的相位误差仅由环路增益决定。