适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置

本发明主要涉及到光学谐振腔，尤其是一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置。

背景技术：

1、光脉冲原子干涉测量是一种利用原子叠加态作为灵敏探针的技术。激光脉冲充当原子束分离器，将原子转移到叠加态，让它们继续演化。进一步的脉冲将叠加态重新组合。对原子团进行分析处理，可以测量重力、加速度和重力梯度等信息。

2、通过增加原子干涉仪的时空面积可以提高原子干涉仪的测量灵敏度。增加原子干涉仪的时空面积，则可以通过更长的干涉测量时间或增加传递到原子的动量来实现。同时激光与原子团相互作用时，一般的可用激光使得光子波前畸变在其均值附近传播局部波矢量，降低干扰对比度，从而降低灵敏度和精度。

3、光学谐振自身的几何参数被固定，就可以决定激光束的横向分布特性、光斑尺寸、谐振频率、光束发散角等。同时基于自身特性可具备频率滤波和控制光束空间特性、提供光学正反馈等优点。

4、然而在冷原子干涉重力仪中插入光学谐振腔是一件复杂的事情，原因如下：

5、首先，对于光学腔来说，大的光斑半径对应大尺度的光学谐振腔，如何提供一个大光斑使得其可以完全覆盖原子团是一件困难的事情；

6、其次光学谐振腔的参数一旦设定，它的自由光谱区范围就被确定，标准腔体无法动态的调整谐振模式之间的距离。因此，对于多光束干涉的过程，多个频率不能同时与空腔共振，同时原子下落时具有多普勒频移，这是光学谐振腔无法补偿的。

7、基于上述限制，设计一种可以满足冷原子干涉条件的光学谐振腔成为了难点。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置。本发明的目的旨在传统冷原子干涉过程的基础上，利用光学谐振腔自身提供正反馈、压窄线宽、频率滤波等优势，对冷原子干涉重力仪灵敏度水平进行提升。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。

4、另一方面，对于上述适用于原子干涉测量的光学谐振腔，提供一种腔长锁定装置，包括稳定激光源、电光调制器、偏振分束镜、1/4λ波片、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、频移器、混频器、低通滤波器、伺服控制器、伺服机构，所述伺服机构连接在所述光学谐振腔的第二平面镜上，能够在伺服控制器的控制下驱动所述第二平面镜，实现所述光学谐振腔的第一平面镜和第二平面镜之间腔长的调整；

5、稳定激光源出射的激光入射至电光调制器，所述电光调制器连接信号发生器，在信号发生器的控制下，电光调制器对入射至电光调制器的激光进行相位调制，相位调制后的激光经偏振分束镜、1/4λ波片进入光学谐振腔，所述从光学谐振腔反射出来的激光经1/4λ波片、偏振分束镜入射至光电探测器，通过光电探测器转换为电信号，信号发生器产生的本振信号经过频移器频移后与光电探测器输出的电信号通过混频器进行混频，混频器输出的信号进入低通滤波器滤除和频信号后，得到的差频信号就是误差信号，所述差频信号通过伺服控制器反馈到伺服机构，伺服机构驱动所述第二平面镜，改变第一平面镜和第二平面镜之间腔长，并实现所述进行光学谐振腔的腔长的锁定和模式匹配。

6、进一步地，所述腔长锁定装置还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

7、另一方面，本发明提供一种原子干涉重力仪，包括上述适用于原子干涉测量的光学谐振腔。

8、本发明的有益效果在于：

9、本发明提供的加入凸透镜的临界稳定的光学谐振腔，能够在很短的腔长条件下，增大光斑的尺寸，并获得10倍以上的光学增益，即可以在很小的光腔尺寸下得到大尺寸的光斑，激光可以完全覆盖到原子团上。

10、针对原子团自由落体的产生的多普勒频移，提出基于普克尔盒的频率补偿方案，能够补偿由于原子下落带来的多普勒频移。

11、光学谐振腔基于自身功率增强、清洁波前、压窄线宽等优势，可以有效提升冷原子干涉重力仪的灵敏度，为未来进行高精度重力测量提供方法。

技术特征：

1.适用于原子干涉测量的边界稳定的光学谐振腔，其特征在于，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。

2.根据权利要求1所述的光学谐振腔，其特征在于，所述光学谐振腔的腔长的锁定方法，包括：

3.根据权利要求2所述的光学谐振腔，其特征在于，所述腔长锁定装置还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

4.根据权利要求2所述的光学谐振腔，其特征在于，所述伺服机构为压电陶瓷。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的光学谐振腔，其特征在于，所述第一平面镜和第二平面镜之间的镜片距离为光学谐振腔的腔体长度l，光学谐振腔的腔体长度l的确定方法，包括：

6.一种如权利要求1所述的适用于原子干涉测量的光学谐振腔的腔长锁定装置，其特征在于：包括稳定激光源、电光调制器、偏振分束镜、1/4λ波片、光学谐振腔、光电探测器、信号发生器、频移器、混频器、低通滤波器、伺服控制器、伺服机构，所述伺服机构连接在所述光学谐振腔的第二平面镜上，能够在伺服控制器的控制下驱动所述第二平面镜，实现所述光学谐振腔的第一平面镜和第二平面镜之间腔长的调整；

7.根据权利要求6所述的腔长锁定装置，其特征在于：还包括第二凸透镜和第三凸透镜，所述第二凸透镜和第三凸透镜相对设置组成凸透镜组，凸透镜组设置在光学谐振腔前方的光路上，激光经1/4λ波片后通过第二凸透镜和第三凸透镜进行光学谐振腔的模式匹配，得到与学谐振腔一致的模式。

8.根据权利要求6所述的腔长锁定装置，其特征在于：所述伺服机构为压电陶瓷。

9.根据权利要求6或7或8所述的腔长锁定装置，其特征在于：所述第一平面镜和第二平面镜之间的镜片距离为光学谐振腔的腔体长度l，光学谐振腔的腔体长度l的确定方法，包括：

10.一种原子干涉重力仪，其特征在于，包括如权利要求1或2或3或4所述的适用于原子干涉测量的光学谐振腔。

技术总结
本发明提出一种适用于原子干涉测量的光学谐振腔及其腔长锁定装置，包括依次设置的第一平面镜、普克尔盒、第一凸透镜和第二平面镜，所述第一平面镜和第二平面镜均为高反射镜，入射激光入射至第一平面镜，经第一平面镜输入至普克尔盒，经过普克尔盒实现相位改变，通过第一凸透镜后的激光与原子团发生作用，同时经过第二平面镜反射后再次作用原子团。加入凸透镜的临界稳定的光学谐振腔，能够在很小的光腔尺寸下得到大尺寸的光斑，激光可以完全覆盖到原子团上。通时利用普克尔盒的频率补偿，能够补偿由于原子下落带来的多普勒频移。

技术研发人员：朱凌晓,高邵军,杨俊,马笑笑,颜树华,王国超,刘纪勋
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21