原子干涉仪中激光频率和光强控制系统的设计

胡朝晖，杨 婷，亓 鲁

(1.北京航空航天大学惯性技术重点实验室，北京100191;2.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室，北京100191)

1 引言

由于和中子、光子一样具有波粒二象性，原子可以实现类似光学干涉仪的原子干涉仪。原子干涉仪是用一冷原子束以两个不同的拓扑路径传播，构成类似光学Mach-Zehnder型干涉仪，测量由于两原子束通过不同路径引起的相位差。1991年由斯坦福大学Steven Chu等人首次实现脉冲式原子干涉仪以来，原子干涉仪在牛顿引力常数、角速度测量等领域就以其超高的理论灵敏度得到了广泛高度关注，并在近几年得到迅猛发展。2000年，耶鲁大学T.L.Guatavson等人采用相向传播的两束原子进行角速度测量;2006年，法国B.Canuel等人利用冷原子团对抛研制了6轴惯性敏感器，实现多个惯性参数的测量。

原子干涉仪中一个重要部分是激光冷却原子，其基本原理为:行进中的原子被相向的激光照射，激光频率和原子振频一致，原子就会吸收迎面而来的光子受激跃迁到高能态，因而动量减小。原子处在高能态后又会向各个方向发射光子，因此，原子的动量减小，速度减小。其中，原子所处的态取决于以下参数:激光能量、相互作用时间和激光频率。另外在相互作用后，不同能级上的原子数目取决于激光相位。另外一个基础是激光操控原子，即用一定的激光光束照射原子，使得原子团发生分裂、偏转、汇合。综上所述，激光对于原子干涉仪非常重要。

对于激光的控制，主要包括对频率、相位及光强的控制。本文设计的系统主要是实现激光移频、光强稳定及调制的功能。

对于激光移频，目前广泛使用电光调制器和声光调制器等移频器件实现，方法主要有锁相环技术和直接频率合成技术两大类［1－2］。锁相环技术相位噪声低，杂散小，在频率分辨力要求不高及设计成本方面考虑，在本系统中采用锁相环进行移频。对于激光光强控制，一般方法采用两个AOM［3］，一个稳定激光光强，一个光强调制。但是这种系统中器件排布必须满足一定光程，造成光学布局庞大。另外一种方法是使用一个声光调制器［4］，这种方法对于第一种方法光程短、易调节，更方便使用。

根据原子干涉仪对激光的要求，研究原子能级跃迁量化参数和干涉仪工作过程及原理，基于声光调制器［5－10］设计了一套激光频率和光强控制系统，该系统实现的功能有激光移频、光强稳定和调制，同时还可以实现光束通断的控制。为了提高系统中锁相环路的性能，设计了集成锁相频率合成器。实验证明，设计的激光频率和光强控制系统能够实现各个预期功能，并具有稳定性好、速度快等优点。

2 激光频率和光强控制系统的理论分析

2.1 原子能级及原子干涉仪原理

原子干涉仪中原子的能级结构决定了激光的主要参数，因此首先分析原子特性。

系统中选用133Cs原子，其基态的主量子数n=6，轨道角动量量子数l=0，用62S1/2表示，其中S表示l=0，上角标“2”表示该态为一个双重态，下角标“1/2”为总角动量量子数。两个最低激发态是62P1/2、62P3/2(P表示l=1)。从基态到这两个激发态的跃迁分别称作D1线和D2线。我们采用D2线作为基准激光的频率，其能级结构如图1所示。

图1 133Cs原子D2线能级结构示意图

D2线对应的基态62S1/2有两个超精细能级F=3和F=4，分别对应不同的原子自旋态，这里F=I+J代表原子体系总角动量量子数，I表示核自旋角动量量子数，J表示价电子总角动量量子数。每一条超精细能级在磁场作用下被分成(2F+1)条塞曼子能级〉。 因 为和对磁场不敏感，因此在原子干涉实验中作为基准能级。

62P3/2激发态包含 4 级:F'=2，F'=3，F'=4，F'=5，这些能级是准备到达的激发态。当与角动量选择规则结合时，会形成闭环循环跃迁，进而更加有效地冷却和捕获原子。

从基态F=4跃迁到激发态F'=5的频率作为冷却133Cs原子的冷却光，而为了使该光束能更准确的与原子作用，需要光束的频率有一定的偏移，如图1中Δ标识的偏移。根据选择定则，在此过程中处在激发态的原子有一定概率自发辐射落到基态F=3上，这样冷却光无法与该基态的原子继续发生作用，无法完成循环跃迁，因此需要同时提供再泵浦光，将落在F=3的原子激发到激发态上，使得原子进入循环跃迁中。

原子干涉仪在将原子冷却捕获之后，要利用磁导引技术将冷原子团装载导引完成后进行干涉。装载磁导引过程中，光抽运的冷却光、再泵浦光和冷却捕获过程中冷却光、再泵浦光的原理类似，跃迁过程如图1中所示，分别是从F=3跃迁到F'=3，从F=4跃迁到F'=4上。

当冷原子制备成功后，下一步进行原子干涉。本系统采用原子Talbot-Lau效应，利用两束相向的激光束形成驻波场。原子团首次经过驻波场之后分成相干子波，再次经过时，这些子波产生干涉，并在一定的Talbot距离处自成像，获得干涉条纹。再利用布拉格背向散射检测等方法［9－14］检测幅值和相位信息。

由此可见，在原子干涉仪中需要多种频率的激光，为此需在一个或两个激光器基础上，通过移频实现。本系统中选用两个激光器，其频率分别为图1中的激光稳频1和激光稳频2。从F=4和F=3跃迁的频率分别由激光稳频1和激光稳频2产生。激光稳频1所需的移频值是114 MHz和125 MHz，激光稳频2所需的移频值是200 MHz和201.5 MHz。所以整个系统中移频器件所需调节范围是114～201.5 MHz。除移频之外，系统还要求移频的稳定性、再泵浦等光束光强的稳定性和可调节性、磁光阱和驻波脉冲等阶段激光的快速通断等功能。为此本文所设计的激光频率和光强控制系统需实现上述功能，并满足上述移频等指标。

2.2 声光调制器频率和光强控制原理

在对激光进行调节和控制的器件中，声光调制器(AOM)是广泛使用的器件之一。由于AOM具驱动功率小、热稳定性高及易于控制，使其在原子光学领域被广泛采用。

当波长为λ的一束激光以布拉格角θB入射到AOM上并且AOM自身产生的超声波波长Λ和介质中声光作用长度L满足:

就会发生布拉格衍射，从而实现对入射光频率、方向和振幅的调制。式中，Q为声光失配度;n为介质的折射率。

θB以及入射光与衍射光的0级光、1级光和超声波的频率 fi，f0，f1，fs满足下式:

由此可见，AOM可通过超声波的频率对入射光的频率进行调制，形成1级衍射光的频率。通过具体量化每一束激光的移频数值，控制AOM电压产生的超声波频率实现激光频率变化。

设入射光束的强度为I，则1级光的强度I1为:

其中，M2为声光优值;L，H分别是换能器的长度和宽度;P为介质中超声波的功率;K1为常数。又因超声波的功率与施加在换能器上的电压V的平方成正比，所以改变所加电压V，就可以改变1级衍射光的强度，实现对激光光束的光强控制。

3 激光频率和光强控制系统设计

3.1 基本控制系统设计

在铯原子原子干涉仪中，激光频率和光强控制系统的基本组成如图2所示。LabVIEW程序用于控制整个激光系统的时序、微控制器的命令写入，并通过NI公司的数据采集卡DAQmax控制压控振荡器、衰减器和高速开关等仪器。微控制器采用STC12C5A60S2型号，将写入分频数值传送给锁相环(PLL)。锁相环由鉴频鉴相器(PFD)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成。经过锁相之后的信号频率被锁定在指定频率处，该频率信号经衰减器实现对信号幅值的调制，再经高速开关实现对AOM一级衍射光通断的高速控制，最后控制信号经功率放大器放大后驱动AOM。其中，衰减器和高速开关也由上位机控制。由此系统即实现对激光的移频、光强调制、高速通断等功能。

图2 基本控制系统示意图

其中，系统时钟是保证各个光束相位相同，锁相环的鉴相芯片采用AD公司生产的锁相芯片ADF4001，滤波器采用有源二阶后置滤波器，压控振荡器采用Mini-Circuits公司的POS－200。衰减器、高速开关和功率放大器分别采用Mini-Circuits公司的PAS－1+、ZASWA－2－50DR+和AN－60－008。

3.2 激光频率和光强控制整体系统

在基本控制系统的基础上，将光电探测器、比较放大电路加入，可以对激光光强进行控制，得到激光频率和光强控制的整体系统示意图如图3所示。

PLL产生的频率信号经衰减器、高速开关和功率放大器之后，作为声光调制器的驱动进入AOM。AOM输出的1级光经过分束器后分为两部分，其中透射光作为原子干涉仪需要的光束输出，反射光则经过光电探测器(PD)转换成电压信号之后和设定的基准电压信号比较。若输入激光功率稳定，则产生的比较差值为0，衰减倍数不改变，AOM输出光强保持稳定。若输入激光功率增加，则1级衍射光的光强增加，光电转换后的电压增加，与基准信号的比较差值为负值，衰减器的衰减倍数增大，使得加在AOM上的电压降低，经过AOM的1级衍射光的光强减弱。反之，若输入激光功率下降，则可以补偿1级衍射光的光强增大。这样通过这种方法，实现了光强稳定控制。

图3 原子干涉仪中激光频率和光强控制系统示意图

综上所述，整个激光频率和光强控制系统将激光频率控制和光强控制集成一体，通过巧妙的设计各处电路的通断，实现不同的功能要求。比如，当需要移频并按照一定时序通断激光时，可以将图3中下半部分的比较放大电路断开，这样移频、高速通断以及频率稳定的功能均可以实现。

4 实验结果

检验这套激光频率和光强控制系统的各项功能实现，根据前面得到的移频范围114～201.5 MHz，首先测量移频114 MHz时的稳频性能。

设计的锁相环锁定时间小于3 ms，优于大部分锁相环的锁定时间，且相位噪声优于90 dBc@1 kHz，性能良好。利用频谱分析仪得到的衰减器和功率放大器的输出信号分别如图4和图5所示。

图4 衰减器输出端信号频谱图

从图4、图5中的频谱图可以看到，图4中衰减器输出信号的中心频率为114.0 MHz，中心频率处信号强度为－13.39 dBm，线宽约为190 Hz，信噪比达50 dB;图5中中心频率为114.0 MHz，中心频率处信号强度为12.10 dBm，线宽约为130 Hz，信噪比为25 dB。可以看出AOM(Model 3110－120，Crystal Technology)驱动信号的频率基本稳定在114 MHz处，而且电信号的功率处在AOM输入范围内。

图5 AOM输入信号频谱图

进一步利用光电探测器(Model 2307，New Focus)测试光强稳定性能。在稳光前，AOM输出光的光强极易受到外界扰动而变化，光电探测器输出电压最大变化为5 mV。然后将光电探测器和比较电路等连通形成稳定光强的回路，得到的稳光后光电探测器输出电压最大变化约0.1 mV。由此可见，采用光强稳定系统后，输出光强的波动仅为原波动的2%，较好地实现了激光光强稳定功能。

最终通过实验验证，针对不同移频范围的AOM，图3所示的系统可以实现的移频范围是100～207 MHz，且移频后频率稳定，可以实现光强的稳定和调制以及激光束的快速通断等各项功能。

5 结论

根据铯原子干涉仪原理和各阶段对激光的不同要求，研制了一套控制激光频率和光强的系统，实现了激光频率的偏移和稳频以及光强的稳定和调制等功能。实验表明，激光可以移频114 MHz，且偏移范围可达到100～207 MHz;稳光后的输出功率波动减小为稳光前的2%。所研制的系统符合基于铯原子的原子干涉仪对激光的功能和指标要求。该系统成本低，效率高，可以广泛应用在原子钟、原子重力梯度仪和纳米刻蚀等系统［10，15－17］。

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