[發明專利]一種基于馬赫曾德干涉儀的拉曼激光光程匹配系統

有效

• 申請號: 201711239345.2
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108008531B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 宋凝芳;潘雄;李瑋;徐小斌;路想想;胡笛
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00
• 代理公司: 11121 北京永創新實專利事務所
• 代理人: 趙文穎

1.一種基于馬赫曾德干涉儀的拉曼激光光程匹配系統，包括激光光源、第一1/2λ波片、第一偏振分光棱鏡、電光調制器、第一45°反射鏡、Fabry-Perot標準具、第二1/2λ波片、第二45°反射鏡、第三1/2λ波片、第二偏振分光棱鏡、第一光纖耦合器、第一保偏光纖、光纖準直器、激光分束器、聲光調制器、激光擴束器、第一1/4λ波片、第一原子團、第二原子團、第二1/4λ波片、零度反射鏡、第二光纖耦合器、光纖偏振分束器、第二保偏光纖、第三保偏光纖、高速光開關、第四保偏光纖、第五保偏光纖、Y波導、光纖偏振合束器、高速光電探測器、反饋電路系統；

激光光源輸出激光通過第一1/2λ波片后進入第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡將輸入激光分為透射激光和反射激光；其中透過第一偏振分光棱鏡的激光進入電光調制器，電光調制器的輸出激光由載波、所需的一階調制邊帶以及高階調制邊帶組成；電光調制器的輸出激光由第一45°反射鏡反射后進入Fabry-Perot標準具，Fabry-Perot標準具濾除多余的激光頻率成份，其輸出激光為所需的一階調制邊帶；Fabry-Perot標準具的輸出激光經過第二1/2λ波片后被第二偏振分光棱鏡反射，該反射激光輸入到第一光纖耦合器；其中被第一偏振分光棱鏡反射的激光由第二45°反射鏡反射后透過第三1/2λ波片，第三1/2λ波片的輸出激光透過第二偏振分光棱鏡后輸入到第一光纖耦合器；第一光纖耦合器的輸出端通過第一保偏光纖與光纖準直器相連，光纖準直器的輸出激光進入激光分束器，激光分束器將輸入激光分為反射激光和透射激光；其中，反射激光進入聲光調制器，聲光調制器作為高速光開關產生所需的脈沖激光；聲光調制器的輸出激光進入激光擴束器，激光擴束器的輸出激光先后經過第一1/4λ波片、第一原子團、第二原子團、第二1/4λ波片后被零度反射鏡反射，然后再先后通過第二1/4λ波片、第二原子團、第一原子團；其中，透射激光進入第二光纖耦合器，第二光纖耦合器的輸出端與光纖偏振分束器的輸入端相連，光纖偏振分束器的左輸出端通過第二保偏光纖與光纖偏振合束器的左輸入端相連；光纖偏振分束器的右輸出端通過第三保偏光纖與高速光開關的輸入端相連，高速光開關的左右兩個輸出端分別通過第四保偏光纖、第五保偏光纖與Y波導的左右兩個輸入端相連；Y波導的輸出端與光纖偏振合束器的右側輸入端相連，光纖偏振合束器的輸出激光進入高速光電探測器；高速光電探測器的輸出端與反饋電路系統的輸入端相連，反饋電路系統的輸出端與電光調制器的調制信號輸入端相連。

2.根據權利要求1所述的一種基于馬赫曾德干涉儀的拉曼激光光程匹配系統，所述的激光光源的輸出激光的頻率為ω，EOM調制頻率為ω_m；假設被調制的激光在t時刻從下往上激發原子，而未被調制的激光經過垂直反射后從上往下激發原子，垂直反射導致的額外光程記為ΔL；只考慮激光光源的相位噪聲的影響，在同一時刻與原子相互作用的兩束激光分別表示為：

其中，E₁，E₂分別為從下往上和從上往下激發原子的激光的振幅，φ₀(t)為激光光源的相位抖動；τ₀＝ΔL/c是垂直反射導致的時間延時，c是光速；原子感受到的這兩束激光的相位差為：

ΔΦ(t)＝ω_mt+ωτ₀+φ₀(t)-φ₀(t-τ₀) (3)

其中，ΔФ為兩束激光的相位差，φ₀(t)-φ₀(t-τ₀)是影響重力儀測量精度的誤差項；首先使用光電探測器檢測這兩束激光的拍頻，然后將拍頻信號與參考頻率源進行鑒頻、鑒相，將兩束激光的相位誤差信號提取出來，然后通過反饋電路將這兩束激光的相位誤差信號反饋回EOM的調制信號，從而改變上路激光的相位，實現該相位誤差的消除；

具體的，與原子同一時刻，光電探測器接收到的兩束激光的相位分別為：

設L_up為參考激光，E′₁，E′₂分別為光電探測器接收到的兩束激光的振幅，τ₁是被調制的激光經過光纖馬赫曾德干涉儀的左臂到達光電探測器與參考激光的時差；τ₂是未被調制的激光經過光纖馬赫曾德干涉儀的右臂到達光電探測器與參考激光的時差；探測器感受到的這兩束激光的相位差為：

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

其中，ΔФ′為探測器感受到的這兩束激光的相位差，ω_mt項在鑒頻過程中被消除；

使得τ₁＝0以及τ₂＝τ₀，通過切換高速光開關實現光纖馬赫曾德干涉儀的兩種光程差的切換；具體來說，光纖馬赫曾德干涉儀兩臂長度應該滿足下式：

L_a＝L₀+2ΔL_a (7)

L_b＝L₀+2ΔL_b (8)

其中，L₀為光纖馬赫曾德干涉儀左臂的光程，L_a、L_b分別為高速光開關在左側導通和右側導通時光纖馬赫曾德干涉儀右臂的光程，ΔL_a、ΔL_b分別為原子團處于最高點和最低點時與零度反射鏡的距離；

如果在關注的頻段范圍內反饋環路增益為K，那么經過反饋后剩余的相位誤差項約為：

其中，φ_r為剩余相位誤差；此時，剩余的相位誤差僅由環路增益決定。