胡朝暉，楊 婷，亓 魯

(1.北京航空航天大學(xué)慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191;2.北京航空航天大學(xué)新型慣性儀表與導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

1 引言

由于和中子、光子一樣具有波粒二象性，原子可以實(shí)現(xiàn)類似光學(xué)干涉儀的原子干涉儀。原子干涉儀是用一冷原子束以兩個(gè)不同的拓?fù)渎窂絺鞑?，?gòu)成類似光學(xué)Mach-Zehnder型干涉儀，測量由于兩原子束通過不同路徑引起的相位差。1991年由斯坦福大學(xué)Steven Chu等人首次實(shí)現(xiàn)脈沖式原子干涉儀以來，原子干涉儀在牛頓引力常數(shù)、角速度測量等領(lǐng)域就以其超高的理論靈敏度得到了廣泛高度關(guān)注，并在近幾年得到迅猛發(fā)展。2000年，耶魯大學(xué)T.L.Guatavson等人采用相向傳播的兩束原子進(jìn)行角速度測量;2006年，法國B.Canuel等人利用冷原子團(tuán)對拋研制了6軸慣性敏感器，實(shí)現(xiàn)多個(gè)慣性參數(shù)的測量。

原子干涉儀中一個(gè)重要部分是激光冷卻原子，其基本原理為:行進(jìn)中的原子被相向的激光照射，激光頻率和原子振頻一致，原子就會(huì)吸收迎面而來的光子受激躍遷到高能態(tài)，因而動(dòng)量減小。原子處在高能態(tài)后又會(huì)向各個(gè)方向發(fā)射光子，因此，原子的動(dòng)量減小，速度減小。其中，原子所處的態(tài)取決于以下參數(shù):激光能量、相互作用時(shí)間和激光頻率。另外在相互作用后，不同能級上的原子數(shù)目取決于激光相位。另外一個(gè)基礎(chǔ)是激光操控原子，即用一定的激光光束照射原子，使得原子團(tuán)發(fā)生分裂、偏轉(zhuǎn)、匯合。綜上所述，激光對于原子干涉儀非常重要。

對于激光的控制，主要包括對頻率、相位及光強(qiáng)的控制。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)激光移頻、光強(qiáng)穩(wěn)定及調(diào)制的功能。

對于激光移頻，目前廣泛使用電光調(diào)制器和聲光調(diào)制器等移頻器件實(shí)現(xiàn)，方法主要有鎖相環(huán)技術(shù)和直接頻率合成技術(shù)兩大類［1－2］。鎖相環(huán)技術(shù)相位噪聲低，雜散小，在頻率分辨力要求不高及設(shè)計(jì)成本方面考慮，在本系統(tǒng)中采用鎖相環(huán)進(jìn)行移頻。對于激光光強(qiáng)控制，一般方法采用兩個(gè)AOM［3］，一個(gè)穩(wěn)定激光光強(qiáng)，一個(gè)光強(qiáng)調(diào)制。但是這種系統(tǒng)中器件排布必須滿足一定光程，造成光學(xué)布局龐大。另外一種方法是使用一個(gè)聲光調(diào)制器［4］，這種方法對于第一種方法光程短、易調(diào)節(jié)，更方便使用。

根據(jù)原子干涉儀對激光的要求，研究原子能級躍遷量化參數(shù)和干涉儀工作過程及原理，基于聲光調(diào)制器［5－10］設(shè)計(jì)了一套激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有激光移頻、光強(qiáng)穩(wěn)定和調(diào)制，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)光束通斷的控制。為了提高系統(tǒng)中鎖相環(huán)路的性能，設(shè)計(jì)了集成鎖相頻率合成器。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)預(yù)期功能，并具有穩(wěn)定性好、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2 激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)的理論分析

2.1 原子能級及原子干涉儀原理

原子干涉儀中原子的能級結(jié)構(gòu)決定了激光的主要參數(shù)，因此首先分析原子特性。

系統(tǒng)中選用133Cs原子，其基態(tài)的主量子數(shù)n=6，軌道角動(dòng)量量子數(shù)l=0，用62S1/2表示，其中S表示l=0，上角標(biāo)“2”表示該態(tài)為一個(gè)雙重態(tài)，下角標(biāo)“1/2”為總角動(dòng)量量子數(shù)。兩個(gè)最低激發(fā)態(tài)是62P1/2、62P3/2(P表示l=1)。從基態(tài)到這兩個(gè)激發(fā)態(tài)的躍遷分別稱作D1線和D2線。我們采用D2線作為基準(zhǔn)激光的頻率，其能級結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 133Cs原子D2線能級結(jié)構(gòu)示意圖

D2線對應(yīng)的基態(tài)62S1/2有兩個(gè)超精細(xì)能級F=3和F=4，分別對應(yīng)不同的原子自旋態(tài)，這里F=I+J代表原子體系總角動(dòng)量量子數(shù)，I表示核自旋角動(dòng)量量子數(shù)，J表示價(jià)電子總角動(dòng)量量子數(shù)。每一條超精細(xì)能級在磁場作用下被分成(2F+1)條塞曼子能級〉。 因 為和對磁場不敏感，因此在原子干涉實(shí)驗(yàn)中作為基準(zhǔn)能級。

62P3/2激發(fā)態(tài)包含 4 級:F'=2，F(xiàn)'=3，F(xiàn)'=4，F(xiàn)'=5，這些能級是準(zhǔn)備到達(dá)的激發(fā)態(tài)。當(dāng)與角動(dòng)量選擇規(guī)則結(jié)合時(shí)，會(huì)形成閉環(huán)循環(huán)躍遷，進(jìn)而更加有效地冷卻和捕獲原子。

從基態(tài)F=4躍遷到激發(fā)態(tài)F'=5的頻率作為冷卻133Cs原子的冷卻光，而為了使該光束能更準(zhǔn)確的與原子作用，需要光束的頻率有一定的偏移，如圖1中Δ標(biāo)識(shí)的偏移。根據(jù)選擇定則，在此過程中處在激發(fā)態(tài)的原子有一定概率自發(fā)輻射落到基態(tài)F=3上，這樣冷卻光無法與該基態(tài)的原子繼續(xù)發(fā)生作用，無法完成循環(huán)躍遷，因此需要同時(shí)提供再泵浦光，將落在F=3的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，使得原子進(jìn)入循環(huán)躍遷中。

原子干涉儀在將原子冷卻捕獲之后，要利用磁導(dǎo)引技術(shù)將冷原子團(tuán)裝載導(dǎo)引完成后進(jìn)行干涉。裝載磁導(dǎo)引過程中，光抽運(yùn)的冷卻光、再泵浦光和冷卻捕獲過程中冷卻光、再泵浦光的原理類似，躍遷過程如圖1中所示，分別是從F=3躍遷到F'=3，從F=4躍遷到F'=4上。

當(dāng)冷原子制備成功后，下一步進(jìn)行原子干涉。本系統(tǒng)采用原子Talbot-Lau效應(yīng)，利用兩束相向的激光束形成駐波場。原子團(tuán)首次經(jīng)過駐波場之后分成相干子波，再次經(jīng)過時(shí)，這些子波產(chǎn)生干涉，并在一定的Talbot距離處自成像，獲得干涉條紋。再利用布拉格背向散射檢測等方法［9－14］檢測幅值和相位信息。

由此可見，在原子干涉儀中需要多種頻率的激光，為此需在一個(gè)或兩個(gè)激光器基礎(chǔ)上，通過移頻實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中選用兩個(gè)激光器，其頻率分別為圖1中的激光穩(wěn)頻1和激光穩(wěn)頻2。從F=4和F=3躍遷的頻率分別由激光穩(wěn)頻1和激光穩(wěn)頻2產(chǎn)生。激光穩(wěn)頻1所需的移頻值是114 MHz和125 MHz，激光穩(wěn)頻2所需的移頻值是200 MHz和201.5 MHz。所以整個(gè)系統(tǒng)中移頻器件所需調(diào)節(jié)范圍是114～201.5 MHz。除移頻之外，系統(tǒng)還要求移頻的穩(wěn)定性、再泵浦等光束光強(qiáng)的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)性、磁光阱和駐波脈沖等階段激光的快速通斷等功能。為此本文所設(shè)計(jì)的激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)上述功能，并滿足上述移頻等指標(biāo)。

2.2 聲光調(diào)制器頻率和光強(qiáng)控制原理

在對激光進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的器件中，聲光調(diào)制器(AOM)是廣泛使用的器件之一。由于AOM具驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性高及易于控制，使其在原子光學(xué)領(lǐng)域被廣泛采用。

當(dāng)波長為λ的一束激光以布拉格角θB入射到AOM上并且AOM自身產(chǎn)生的超聲波波長Λ和介質(zhì)中聲光作用長度L滿足:

就會(huì)發(fā)生布拉格衍射，從而實(shí)現(xiàn)對入射光頻率、方向和振幅的調(diào)制。式中，Q為聲光失配度;n為介質(zhì)的折射率。

θB以及入射光與衍射光的0級光、1級光和超聲波的頻率 fi，f0，f1，fs滿足下式:

由此可見，AOM可通過超聲波的頻率對入射光的頻率進(jìn)行調(diào)制，形成1級衍射光的頻率。通過具體量化每一束激光的移頻數(shù)值，控制AOM電壓產(chǎn)生的超聲波頻率實(shí)現(xiàn)激光頻率變化。

設(shè)入射光束的強(qiáng)度為I，則1級光的強(qiáng)度I1為:

其中，M2為聲光優(yōu)值;L，H分別是換能器的長度和寬度;P為介質(zhì)中超聲波的功率;K1為常數(shù)。又因超聲波的功率與施加在換能器上的電壓V的平方成正比，所以改變所加電壓V，就可以改變1級衍射光的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對激光光束的光強(qiáng)控制。

3 激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 基本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在銫原子原子干涉儀中，激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示。LabVIEW程序用于控制整個(gè)激光系統(tǒng)的時(shí)序、微控制器的命令寫入，并通過NI公司的數(shù)據(jù)采集卡DAQmax控制壓控振蕩器、衰減器和高速開關(guān)等儀器。微控制器采用STC12C5A60S2型號，將寫入分頻數(shù)值傳送給鎖相環(huán)(PLL)。鎖相環(huán)由鑒頻鑒相器(PFD)、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成。經(jīng)過鎖相之后的信號頻率被鎖定在指定頻率處，該頻率信號經(jīng)衰減器實(shí)現(xiàn)對信號幅值的調(diào)制，再經(jīng)高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)對AOM一級衍射光通斷的高速控制，最后控制信號經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)AOM。其中，衰減器和高速開關(guān)也由上位機(jī)控制。由此系統(tǒng)即實(shí)現(xiàn)對激光的移頻、光強(qiáng)調(diào)制、高速通斷等功能。

圖2 基本控制系統(tǒng)示意圖

其中，系統(tǒng)時(shí)鐘是保證各個(gè)光束相位相同，鎖相環(huán)的鑒相芯片采用AD公司生產(chǎn)的鎖相芯片ADF4001，濾波器采用有源二階后置濾波器，壓控振蕩器采用Mini-Circuits公司的POS－200。衰減器、高速開關(guān)和功率放大器分別采用Mini-Circuits公司的PAS－1+、ZASWA－2－50DR+和AN－60－008。

3.2 激光頻率和光強(qiáng)控制整體系統(tǒng)

在基本控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將光電探測器、比較放大電路加入，可以對激光光強(qiáng)進(jìn)行控制，得到激光頻率和光強(qiáng)控制的整體系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

PLL產(chǎn)生的頻率信號經(jīng)衰減器、高速開關(guān)和功率放大器之后，作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入AOM。AOM輸出的1級光經(jīng)過分束器后分為兩部分，其中透射光作為原子干涉儀需要的光束輸出，反射光則經(jīng)過光電探測器(PD)轉(zhuǎn)換成電壓信號之后和設(shè)定的基準(zhǔn)電壓信號比較。若輸入激光功率穩(wěn)定，則產(chǎn)生的比較差值為0，衰減倍數(shù)不改變，AOM輸出光強(qiáng)保持穩(wěn)定。若輸入激光功率增加，則1級衍射光的光強(qiáng)增加，光電轉(zhuǎn)換后的電壓增加，與基準(zhǔn)信號的比較差值為負(fù)值，衰減器的衰減倍數(shù)增大，使得加在AOM上的電壓降低，經(jīng)過AOM的1級衍射光的光強(qiáng)減弱。反之，若輸入激光功率下降，則可以補(bǔ)償1級衍射光的光強(qiáng)增大。這樣通過這種方法，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)穩(wěn)定控制。

圖3 原子干涉儀中激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)示意圖

綜上所述，整個(gè)激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)將激光頻率控制和光強(qiáng)控制集成一體，通過巧妙的設(shè)計(jì)各處電路的通斷，實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。比如，當(dāng)需要移頻并按照一定時(shí)序通斷激光時(shí)，可以將圖3中下半部分的比較放大電路斷開，這樣移頻、高速通斷以及頻率穩(wěn)定的功能均可以實(shí)現(xiàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

檢驗(yàn)這套激光頻率和光強(qiáng)控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)前面得到的移頻范圍114～201.5 MHz，首先測量移頻114 MHz時(shí)的穩(wěn)頻性能。

設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)鎖定時(shí)間小于3 ms，優(yōu)于大部分鎖相環(huán)的鎖定時(shí)間，且相位噪聲優(yōu)于90 dBc@1 kHz，性能良好。利用頻譜分析儀得到的衰減器和功率放大器的輸出信號分別如圖4和圖5所示。

圖4 衰減器輸出端信號頻譜圖

從圖4、圖5中的頻譜圖可以看到，圖4中衰減器輸出信號的中心頻率為114.0 MHz，中心頻率處信號強(qiáng)度為－13.39 dBm，線寬約為190 Hz，信噪比達(dá)50 dB;圖5中中心頻率為114.0 MHz，中心頻率處信號強(qiáng)度為12.10 dBm，線寬約為130 Hz，信噪比為25 dB。可以看出AOM(Model 3110－120，Crystal Technology)驅(qū)動(dòng)信號的頻率基本穩(wěn)定在114 MHz處，而且電信號的功率處在AOM輸入范圍內(nèi)。

圖5 AOM輸入信號頻譜圖

進(jìn)一步利用光電探測器(Model 2307，New Focus)測試光強(qiáng)穩(wěn)定性能。在穩(wěn)光前，AOM輸出光的光強(qiáng)極易受到外界擾動(dòng)而變化，光電探測器輸出電壓最大變化為5 mV。然后將光電探測器和比較電路等連通形成穩(wěn)定光強(qiáng)的回路，得到的穩(wěn)光后光電探測器輸出電壓最大變化約0.1 mV。由此可見，采用光強(qiáng)穩(wěn)定系統(tǒng)后，輸出光強(qiáng)的波動(dòng)僅為原波動(dòng)的2%，較好地實(shí)現(xiàn)了激光光強(qiáng)穩(wěn)定功能。

最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，針對不同移頻范圍的AOM，圖3所示的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的移頻范圍是100～207 MHz，且移頻后頻率穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的穩(wěn)定和調(diào)制以及激光束的快速通斷等各項(xiàng)功能。

5 結(jié)論

根據(jù)銫原子干涉儀原理和各階段對激光的不同要求，研制了一套控制激光頻率和光強(qiáng)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光頻率的偏移和穩(wěn)頻以及光強(qiáng)的穩(wěn)定和調(diào)制等功能。實(shí)驗(yàn)表明，激光可以移頻114 MHz，且偏移范圍可達(dá)到100～207 MHz;穩(wěn)光后的輸出功率波動(dòng)減小為穩(wěn)光前的2%。所研制的系統(tǒng)符合基于銫原子的原子干涉儀對激光的功能和指標(biāo)要求。該系統(tǒng)成本低，效率高，可以廣泛應(yīng)用在原子鐘、原子重力梯度儀和納米刻蝕等系統(tǒng)［10，15－17］。

［1］ GU Yu.Investigations on the PLL oscillator based on dig-ital IF technologies［D］.Nanjing:Southeast University，2005.(in Chinese)顧宇.用于數(shù)字中頻收發(fā)信機(jī)的鎖相本振源［D］.南京:東南大學(xué)，2005.

［2］ WANGHongying.Design of vehicle-mounted system based on DDS drive PLL［D］.Chengdu:University of Electronic Science and Technology of China，2010.(in Chinses)王洪英.基于 DDS驅(qū)動(dòng) PLL車載系統(tǒng)本振的設(shè)計(jì)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2010.

［3］ Schmidt Steven R.Design of large-format gas laser color printer［J］.Proceedings of SPIE，1990，1254:24 －32.

［4］ K.imitoshi Nagao，et al.High image quality laser color printer［J］.Proceedings of SPIE，1989，1079:90 －98.

［5］ D V Strekalov，Andrey Turlapov，A Kumarakrishnan，et al.Periodic structures generated in a cloud of cold atoms［J］.Physical Review A，2002，66(2):023601 －023611.

［6］ Klaus Hornberger，Stefan Gerlich，Philipp Haslinger，et al.Colloquium:Quantum interference of clusters and molecules［J］.Reviews of Modern Physics，2012，84:157.

［7］ YAO Zhanwei，WANG Kai，LI Ruibing，et al.Rotation measurement based on atom interferometer technology［C］.2011 small satellite technology exchange meeting，Beijing，China，2011.(in Chinese)姚戰(zhàn)偉，王鍇，李潤兵，等.基于原子干涉技術(shù)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量［C］.2011年小衛(wèi)星技術(shù)交流會(huì)，北京:2011.

［8］ DUAN Xiaochun.Principle experiment of measuring gravity gradient by atom interferometry［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology.2011.(in Chinese)段小春.原子干涉重力梯度測量原理性實(shí)驗(yàn)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［9］ LI Ruibing，WANG Jin，ZHAN Mingsheng.New generation inertial navigation technology:cold atom gyroscope［J］.GNSS world of China，2010，35(4):1 －4.(in Chinese)李潤兵，王謹(jǐn)，詹明生.新一代慣性導(dǎo)航技術(shù):冷原子陀螺儀［J］.全球定位系統(tǒng)，2010，35(4):1 －5.

［10］ M J Snadden，J M Mcguirk，P Bouyer，et al.Measurement of the earthos gravity gradient with an atom interferometerbased gravity gradiometer［J］.Physical Review Letters，1998，81(5):971 －974.

［11］ WANG Wei，WANG Xuefeng，MA Jianli，et al.Key technology and development of atom interferometric gyroscope［J］.Navigation and control，2011，10(2):55 － 60.(in Chinese)王巍，王學(xué)峰，馬建立，等.原子干涉陀螺儀關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展［J］.導(dǎo)航與控制，2011，10(2):55－60.

［12］ WANG Wenli.Key techniques of cold Ytterbium atomic clocks［D］.Shanghai:East China Normal University，2011.(in Chinese)王文麗.冷鐿原子光鐘的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.上海:華東師范大學(xué)，2011.

［13］ SUN Hengli.Study of phase frequency control system for atom interferometer［D］.Hangzhou:Zhejiang University.(in Chinese)孫亨利.原子干涉儀高精度穩(wěn)頻鎖相系統(tǒng)的研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2012.

［14］ HUO Lei，LI Xiaodong.Non-uniform sound field distribution of acousto-optic device in laser heterodyne interferometry［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(10):2386 －2392.(in Chinese)霍雷，李曉東.激光外差干涉中聲光器件的非均勻聲場特 性 ［J］.光 學(xué) 精 密 工 程，2011，19(10):2386－2392.

［15］ WANG Yingju，Dana Z Anderson，Victor M Bright.An atom michelson interferometer on a chip using a Bose-Einstein condensate［J］.Physical Review Letters，2005，94(9):90405.

［16］ C R Ekstrom，J Schmiemayer，M S Chapman，et al.Measurement fo the electric polarizability of sodium with an atom interferometer［J］.Physical Review A，1995，51(5):3883－3889.

［17］ Sebastian Fray，Cristina Alvarez Diez，Theodor W Hansch，et al.Atomic interferometer with amplitude gratings of light and its applications to atom based tests of the equivalence principle［J］.2005，7:1 －4.