[实用新型]一种用于冷原子干涉仪的集成化光学装置

说明书

技术领域

本实用新型属于冷原子干涉精密测量领域，尤其涉及一种用于冷原子干涉仪的集成化光学装置。

背景技术

原子干涉仪是一种高精度的测量仪器。基于原子干涉仪的重力仪和重力梯度仪可以精密测量重力和重力梯度。地球表面的重力主要由地球内部物质产生的万有引力决定，通过重力或者重力梯度测量可以获得地球内部物质的分布信息。原子干涉仪也可进行转动测量，基于原子干涉仪的陀螺仪，可以用于惯性导航。原子干涉仪还可用于弱等效原理检验和引力波探测等。近些年来，国内外不少科学家提议在太空中开展弱等效原理检验实验。因此，原子干涉仪在地质勘查、资源勘探、惯性导航和基础科学研究等领域存在着广泛应用。在原子干涉仪中，需要光学系统提供激光，用于冷却和操控原子团。光学系统的性能直接影响原子干涉仪的测量精度和稳定性。

原子干涉仪需要多束频率、功率、时序不同的激光束，用于实现激光冷却，光泵，干涉操作和探测等功能。为了实现这些功能，需要搭建用于原子干涉仪的光学系统。通常基于实验室的光学系统是搭建在光学平台上面,这样的光学系统体积庞大，可搬运性差，且稳定性不好。为了满足工程和空间应用，需要研制出集成化、可搬运的光学系统。

目前，用于原子干涉仪的光学系统的集成化有两个发展方向：①集成化的自由空间光学系统，比较有代表性的是法国F.P.DosSantos小组(P.Cheinet，F.P.DosSantos，T.Petelski，J.J.Kim，K.T.Therkildsen，A.Clairon，A.Landragin，Appl.Phys.B84，643-646，2006)。他们将所有的光学器件都集成在一个基板上，光束在自由空间中传播，激光源输出频率为碱金属元素相应的跃迁频率。由于光束是在自由空间中传播，这类光学系统对温度起伏，机械压力和振动等很敏感。并且，这类光学系统体积较大。②基于1.5μm通信波段的光纤器件搭建的光纤化光学系统。1.5μm波段是通信波段，有很多成熟的器件可供选择使用。另外，光纤受环境温度和振动影响小，稳定性好。比较有代表性的是A.Bresson小组的光纤化光学系统方案。2007年，他们利用光纤化光学系统实现了原子的冷却和囚禁(F.Lienhart，S.Boussen，O.Carraz，N.Zahzam，Y.Bidel，A.Bresson，Appl.Phys.B，89，177-180，2007)。2009年，该小组又用光纤化光学系统实现了原子干涉仪。

同时，为了降低光学系统的复杂程度，人们也在简化光学系统的结构，减少光学系统中有源器件的使用数量。例如，通过拍频锁相方法，可以快速动态调谐光学系统输出激光的频率，减少光学系统中激光器的数目。法国A.Bresson小组2009年提出的光纤化光学系统中，只使用了两台激光器，就提供了原子干涉仪工作所需的所有频率的激光束(O.Carraz，F.Lienhart，R.Charrière，M.Cadoret，N.Zahzam，Y.Bidel，A.Bresson，Appl.Phys.B，97，405-411，2009)。法国F.P.DosSantos小组2014年搭建的自由空间光学系统，也只利用两台激光器，就实现了原子干涉(S.Merlet，L.Volodimer，M.Lours，F.P.DosSantos，Appl.Phys.B，117，749-754，2014)。

但是上述光路还是存在3个问题：

①光纤化光学系统，光学系统中激光源工作在1.5μm通信波段附近，需要倍频才能使输出激光用于原子干涉仪。倍频模块的引入，会增加光学系统的复杂程度以及功耗和体积等。同时倍频方案仅仅对铷和钾等原子适用，对于其他的种类的碱金属原子并不适用。②在目前实现原子干涉的光学系统中，最少的种子激光器数目是2个，进一步降低种子激光器的数目是简化光学系统的一个重要途径。③目前现有的光学系统部分使用了自由空间光路，使得光学系统对温度起伏，机械压力和振动等很敏感，从而降低了光学系统的稳定性。

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的缺点和不足，提供一种用于冷原子干涉仪的集成化光学装置，从而简化干涉仪的光学系统，减小光学系统的体积、功耗和复杂程度，提高其可维护性，降低生产成本。

本实用新型的目的是这样实现的：

具体地说，用于冷原子干涉仪的集成化光学装置(简称装置)包括激光器单元，分光单元，稳频单元，两个结构相同的第1波导型电光调制器单元和第2波导型电光调制器单元，激光功率放大单元和功率控制单元；