技术领域
[0001] 本
发明涉及光与
原子相干介质的非线性光学和量子光学研究领域，如电磁诱导透明、多波混频以及量子成像、量子精密测量等技术领域，特别涉及一种利用光与原子相干相互作用制备光场非经典态的光学
锁相环领域。
背景技术
[0002] 光与原子相互作用的非线性过程中，原子相干效应扮演着重要
角色。
相位相干光和原子组成的相干介质已经广泛应用到量子光学实验研究中，如电磁诱导透明、量子通信、多波混频以及激光冷却与俘获原子等领域。在上述应用中，产生具有几个GHz
频率差且
相位差恒定的两束或多束光是很有必要的。例如，铷85原子基态超精细分裂为3 GHz，铷87原子基态超精细分裂为6.8 GHz，铯133原子基态超精细分裂为9.2 GHz。因此能够产生10 GHz任意频率差的两束光就可以满足大部分涉及光与原子相互作用研究的需要。
[0003] 目前实验上常用的产生两束频率差为几个GHz且相位差恒定的两束光的方法主要有以下几种：一种是利用声光
调制器，该方法产生的两束光具有恒定的相位差，但是目前商用的声光调制器最大只能产生1.5 GHz频移，且频率调谐范围仅为100 MHz左右，衍射效率仅为10%左右，后续需要通过放大来产生高功率光束；第二种是利用电光调制器产生边带的方法，利用射频
信号发生器驱动电光调制器产生正负边带，再通过
滤波器将所需边带信号滤出，与声光调制器相比，电光调制器可以实现更高频率且更高效率的频移，如目前商用的电光调制器实现9.2 GHz频移效率最高为30%左右。然而，与声光调制器相同的是，电光调制器的调制带宽也仅为100 MHz左右，且商用产品的中心频率固定，只能实现特定
频率范围的移频，无法用于不同原子物理实验，即缺乏广泛性。相比以上两种方法，利用光学锁相环来实现两束光的相位锁定，这种方法可以实现几个GHz范围内任意频率差的锁定。早在上世纪六十年代，光学锁相环就被用来锁定两台
激光器从而获得两束甚至多束频率差较大的相相位干光。2015年，山西大学张靖教授小组利用自制的光学锁相环实现了频率差6.8 GHz 的两束光的频率差锁定，且
拍频线宽达到Hz量级。其自制的光学锁相环中核心部件是Analog公司的ADF4107光学锁相环模
块，带宽为1 GHz -7 GHz，参考信号输入频率范围20 MHz-250 MHz。如果锁定的两束光频率差改变，则需要在配备的可编程输入端口
修改R
分频器和N分频器，并且需要对系统参数重新设置、调试。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：如何克服背景技术的不足，提供一种实现10 MHz至10 GHz范围内任意频率差的锁定的光学锁相环的装置。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种10 MHz-10 GHz光学锁相环装置，包括
钛宝石激光器（1）、
半导体激光器（2）、高带宽光电探测器（3）、射频功率分束器（4）、
频谱分析仪（5）、高频信号发生器（6）、
混频器（7）、射频功率
放大器（8）、信号发生器（9）、光学锁相环模块（10）、示波器（11），所述高带宽光电探测器（3）探测到所述钛宝石激光器（1）和所述半导体激光器（2）的输出光产生拍频信号发送到所述射频功率分束器（4），所述射频功率分束器（4）将接受到的拍频信号分为功率相等的两路分别发送给所述
频谱分析仪（5）和所述混频器（7），所述高频信号发生器（6）产生一个正弦信号发送给所述混频器（7），所述混频器（7）接收到拍频信号后将拍频信号降频然后发送给所述射频
功率放大器（8），所述射频功率放大器（8）将降频后的拍频信号放大后发送给所述光学锁相环模块（10），所述信号发生器（9）产生参考信号发送给所述光学锁相环模块（10），所述光学锁相环模块（10）将放大的降频后的拍频信号和参考信号混频产生误差信号发送给示波器（11），同时光学锁相环模块（10）产生的误差信号通过鉴频鉴相后产生反馈信号发送给所述半导体激光器（2）和示波器（11）。
[0006] 作为一种优选方式：所述钛宝石激光器（1）和所述半导体激光器（2）均放置在一个独立、
隔震、绝热的光学平台上，外围加盖绝热罩与外界环境隔离。
[0007] 作为一种优选方式：频谱分析仪（5）用于检测钛宝石激光器（1）和半导体激光器（2）的频率差。
[0008] 作为一种优选方式：所述锁相环模块（10）的锁定
开关实现钛宝石激光器（1）和半导体激光器（2）的频率差和相位差锁定。
[0009] 本发明的有益效果是：钛宝石激光器通过内部
锁定环路稳频到实验所需频率上，半导体激光器和钛宝石激光器的拍频信号通过混频器降频到80 MHz左右，一台
相位噪声较低的信号发生器产生的80 MHz信号作为参考信号，光学锁相环模块通过对比拍频信号和参考信号的频率差和相位差，实时地输出反馈信号反馈回半导体激光器，始终确保拍频信号与参考信号的频率和相位一致，即半导体激光器的频率始终跟随钛宝石激光器变化。本发明使用Toptica公司生产的mFALC110作为锁相环的核心部件，其操作简便，可实现10 MHz至10 GHz范围内任意频率差的锁定。
具体实施方式
[0010] 图1是本发明的结构示意图；
[0011] 图2是本发明中所述示波器通道一记录的光学锁相环模块监视端口
输出信号谱；
[0012] 图3是本发明中所述示波器通道二记录的光学锁相环模块输出端口输出信号谱；
[0013] 图4是本发明系统未锁定时频谱分析仪监视到的拍频信号谱线，图中频谱分析仪中心频率为9.2 GHz，扫描范围20 MHz，分析带宽为300 kHz；
[0014] 图5是本发明系统锁定时频谱分析仪监视到的拍频信号谱线，图中频谱分析仪中心频率为 9.2 GHz，扫描范围20 MHz，分析带宽为30 kHz；
[0015] 图6是本发明系统锁定时频谱分析仪监视到的拍频信号谱线，图中频谱分析仪中心频率为 9.2 GHz，扫描范围20 Hz，分析带宽为1 Hz。
[0016] 其中，1、通道一系统锁定后的信号谱线，2、通道一系统未锁定信号谱线，3、通道二系统未锁定信号谱线，4、通道二系统锁定后的信号谱线。
具体实施方式
[0017] 本
实施例以锁定输出两光束的频率差对应于133Cs原子基态超精细分裂（9.2 GHz）的两台激光器为例进行说明，如图1所示，一种10 MHz-10 GHz光学锁相环装置，包括钛宝石激光器1、半导体激光器2、高带宽光电探测器3（北京康冠世纪光电科技有限公司生产的KG-PD-20G-A-SM-FA）、射频功率分束器4（Mini-Circuits公司生产的ZX10-2-1252+）、频谱分析仪5、高频信号发生器6（Anrits公司生产的MG3692B-20-GHz）、混频器7（Mini-Circuits公司生产的ZMX-10G+）、射频功率放大器8（Mini-Circuits公司生产的ZHL-1-2W+）、信号发生器9、光学锁相环模块10（Toptica公司生产的mFALC110, 其
输入信号带宽为10 MHz-200 MHz，射频端口最佳输入功率范围为-35 dBm-1 dBm，本地振荡端口最佳输入功率范围为-8 dBm--3 dBm）、示波器11（Agilent公司生产的33250A）。
[0018] 所述钛宝石激光器和所述半导体激光器均放置在一个独立、隔震、绝热的光学平台上，外围加盖绝热罩与外界环境隔离，确保输出频率稳定、功率稳定的
光源。所述钛宝石激光器和所述半导体激光器各分出2.5 mW具有相同偏振的两束光经过同一根单模光纤将光耦合输入一个带宽为20 GHz的高带宽光电探测器3。所述高带宽光电探测器3探测产生的拍频信号功率为-30 dBm，所述-30 dBm的
电信号通过所述射频功率分束4分成功率相等的两路分别用于监视和锁定频率差。所述拍频信号一路输入所述频谱分析仪5监视其拍频信号的功率和拍频信号的谱线带宽，所述拍频信号另一路输入所述混频7的射频端口，所述高频信号发生器6产生一个频率为9.12 GHz 、功率为+7 dBm的正弦信号输入所述混频器7的本地振荡端口。所述混频器7将拍频信号频率降为80 MHz左右，相应的功率为-38 dBm，所述拍频信号再经过所述射频功率放大器8将信号功率从-38 dBm放大到-4 dBm，所述功率-4 dBm、频率为80 MHz左右的拍频信号输入所述光学锁相环模块10的射频端口，所述高频信号发生器6输出频率80 MHz、功率-4 dB的参考信号输入所述光学锁相环模块10的本地振荡端口。所述光学锁相环模块10通过内部混频器将射频端口的拍频信号和本地振荡端口的参考信号混频产生误差信号，误差信号被鉴频鉴相后产生反馈信号。所述光学锁相环模块10产生的反馈信号通过输出端口反馈给所述半导体激光器2的直流输入端口实现两台激光器的频率差和相位差锁定。所述半导体激光器2的直流输入端口输入
电压幅值不能超过±0.8 V。设置在射频功率分束器4上方的所述频谱分析仪5将所述拍频信号输入所述频谱分析仪监视拍频信号来判断两台激光器的频率差锁定情况。设置在所述光学锁相环模块10左方的所述示波器11，其通道一用来监视所述光学锁相环模块10监视端口输出的误差信号，其通道二用来监视所述光学锁相环模块10输出端口输出的反馈信号，保证其幅值不要超出所述半导体激光器的直流输入端口的输入电压幅值范围。
[0019] 钛宝石激光器通过内部锁定环路稳频到实验所需频率上，半导体激光器和钛宝石激光器的拍频信号通过混频器降频到80 MHz左右，一台相位噪声较低的信号发生器产生的80 MHz信号作为参考信号，光学锁相环模块通过对比拍频信号和参考信号的频率差和相位差，实时地输出反馈信号反馈回半导体激光器，始终确保拍频信号与参考信号的频率和相位一致，即半导体激光器的频率始终跟随钛宝石激光器变化。
[0020] 本发明利用Toptica公司 生产的mFALC110锁相环模块作为光学锁相环核心部件，实现将一台半导体激光器锁定到一台钛宝石激光器上，两束激光的频率差可实现10 MHz至10 GHz的任意精密调节，且拍频线宽低至1 Hz。结果表明，该装置产生的两束光具有很好的相干性，增强了光与原子介质的非线性效应，可以应用于量子光学领域中非经典态光场的制备。
[0021] 如图2所示，钛宝石激光器频率稳定，开始改变半导体激光器的频率，当两台激光器频率差在9.2 GHz附近时，示波器通道一记录到监视信号如图2中的2曲线所示，监视信号是光学锁相环模块的射频端口的拍频信号和本地振荡端口的参考信号通过内置混频器混频后的结果，包含差频的低频项与和频的高频项。图3中的3曲线为此时示波器通道二记录的光学锁相环模块输出端口的输出反馈电压信号。
[0022] 当两台激光器频率差偏离9.2 GHz时，光学锁相环模块将输出端口的反馈电压信号反馈回半导体激光器的直流输入端口，对半导体激光器的
电流快速调制，保证与钛宝石激光器频率差始终为9.2 GHz。
[0023] 图2中的1曲线和图3中的4曲线展示了两台激光器的频率差和相位差锁定后光学锁相环模块的监视端口和输出端口的
输出电压信号，其电压值稳定在0附近。输出端口的输出电压幅值约为0.1 V，未超出半导体激光器的直流输入端口输入电压幅值±0.8 V的要求。
[0024] 图4为光学锁相环模块没有锁定时两台激光器输出光的拍频信号
功率谱，图中频谱分析仪中心频率为 9.2 GHz，扫描范围20 MHz，分析带宽为300 kHz。由于半导体激光器自由运转，两束光的相对相位和相对频率任意变化，没有固定的相位差和频率差，拍频信号中心频率为9.2 GHz，线宽约为5 MHz。
[0025] 图5为实现频率差和相位差锁定后，两台激光器输出光的拍频信号功率谱，相比于图4，拍频信号的线宽被明显压窄。
[0026] 图6为本发明系统锁定时频谱分析仪监视到的拍频信号谱线，图中频谱分析仪中心频率为 9.2 GHz，扫描范围20 Hz，分析带宽为1 Hz。图中可以明显看出拍频信号的带宽从5 MHz压窄至1 Hz，线宽越窄表明两台激光器的频率和相位变化越同步，即半导体激光器始终跟随钛宝石激光器变化，实现了两台激光器的频率差和相位差锁定。
