原子干涉重力梯度测量的激光自动锁相技术研究

《Photonics》：Research on Laser Automatic Phase?Locking Technology for Atomic Interferometric Gravity Gradient Measurement Jipeng Wang, Bangcheng Han and Jinhai Bai

　　

原子干涉重力梯度测量通过使用特定频率的激光操控原子来实现原子干涉。因此，激光系统的频率和锁相性能对关键实验参数，包括原子云的装载速率和最终冷却温度、拉曼（Raman）跃迁的态选择效率、原子干涉条纹的对比度以及探测噪声水平，均产生显著影响。随着原子干涉重力梯度测量从静态实验室测量向移动野外作业过渡，传统的激光频率和锁相方法难以满足设备移动后快速重新锁定的需求，并且在激光失锁时无法实现系统的及时恢复。本研究提出了一种自动激光频率和锁相系统，该系统能够实时检测激光频率和相位的偏差，并实施快速精确的校正。同时，通过利用光学锁相环（OPLL）中的参考信号源，该系统实现了激光频率跳变，以满足原子干涉重力梯度测量所有阶段对多样化激光频率的需求。

### 原子干涉重力梯度测量激光自动锁相技术研究解读

#### 一、 研究背景与意义

原子干涉技术因其对重力场的超高灵敏度和测量精度，已成为重力加速度与重力梯度测量领域最具前景的技术方案。基于此技术的原子干涉重力梯度仪具有高精度、零漂移、溯源性好、无机械磨损等优势，被国际公认为极具发展潜力的新型原理梯度仪。该仪器利用激光操控和探测原子，激光系统的性能对决定最终测量精度的诸多参数，如原子系综的装载速率与最低冷却温度、拉曼跃迁的态选择效率、原子干涉条纹对比度及探测噪声大小等，起着至关重要的影响。

为确保原子干涉过程的稳定性和测量精度，传统的原子干涉重力梯度仪依赖人工判断频率和锁相是否失锁，在长期的野外测试中需要大量人力投入以维持系统运行。同时，其光学系统通常设计为大规模、固定布局，严重限制了其在各种移动测量场景中的应用。在现有装置中，光学锁相环（OPLL）因其锁定频率范围宽、相位噪声低、输出激光光谱纯净且无额外边带等优点，已成为原子物理实验中产生相干激光的主流优选方案。然而，在户外可移动测量环境中，激光失锁将直接导致原子干涉信号严重畸变，无法通过椭圆拟合有效提取重力梯度测量结果。目前的研究中，尚未见专门针对原子干涉重力梯度仪的自动锁相公开成果，现有方法仍依赖人工调节，不仅繁琐，且每次失锁后需重新扫描和锁定，导致系统启动时间长，无法实现长期稳定运行，还需专人实时监控锁定状态，锁定耗时和恢复时机均无法保证。

针对传统原子干涉重力梯度仪高精度与优良移动性相互矛盾的核心问题，核心光路系统及频率-相位锁定系统的小型化、集成化和自动化设计，是突破原子干涉重力梯度测量移动性瓶颈的关键。本研究聚焦于核心光路系统的优化设计，提出了一种专为原子干涉重力梯度测量定制的、频率与相位同步调节的自动锁定激光系统，为核心光模块的体积和重量显著降低、进而为移动式原子干涉重力梯度仪的研制奠定了坚实的技术基础。

#### 二、 关键技术方法概述

为实现原子干涉重力梯度测量，研究人员设计并实现了一套自动激光频率与相位锁定系统。该系统采用主从激光频率锁定方案：主激光通过调制转移光谱（MTS）技术稳频；从激光则通过光学锁相环（OPLL）将其输出频率锁定到主激光。系统核心在于数字闭环控制架构，通过数字控制系统实时扫描激光误差信号，并基于此实现快速、精确的自动锁定。具体而言，主激光的自动频率锁定模块集成了MTS光路与数字控制电路，通过从粗扫到精扫的多级电压扫描策略，在80毫秒内准确找到误差信号零点并实现锁定。从激光的自动相位锁定则利用光学锁相环原理，通过光电探测器获取主从激光的拍频信号，经鉴频鉴相后产生误差信号，再由数字控制系统采用类似的双级扫描策略确定锁点，并采用内外双环PID（比例-积分-微分）控制架构实现快速稳定的相位锁定与频率跳变。通过改变OPLL中参考信号源的频率，可快速实现原子干涉实验不同阶段（如冷却、偏振梯度冷却（PGC）、拉曼操纵）所需的激光频率切换，整个系统被高度集成于两个紧凑的金属盒内。

#### 三、 研究结果与结论

**3.1 激光自动频率与相位锁定的实现与性能**
优化后的自动激光频率与相位锁定系统成功应用于原子干涉重力梯度仪实验平台。性能测试表明，主激光的频率锁定和从激光的相位锁定均可在80毫秒内自动快速完成。系统充分利用了光学锁相环的快速重锁特性，在原子干涉实验的偏振梯度冷却阶段对应的最大频率跳变下，重锁时间可控制在200微秒以内。这为实现原子操控过程中激光功能的快速切换提供了关键保障。

**3.2 原子捕获与冷却结果**
应用该自动锁定系统，研究人员在原子干涉重力梯度实验中成功实现了磁光阱（MOT）原子捕获和偏振梯度冷却。通过光电探测器记录原子云的下落荧光信号，结果显示，梯度仪的上、下两个干涉仪区域均可捕获3.08 × 10⁷个原子，原子云温度降至3.48微开尔文（μK）。这证明了自动锁定系统能为原子干涉实验提供高质量、足够数量的冷原子源。

**3.3 原子干涉重力梯度测量结果**
在完成原子捕获与冷却后，研究人员对下落原子进行了态选择和干涉操作。通过对两个干涉仪的信号进行椭圆拟合，成功获得了原子干涉重力梯度测量所需的椭圆拟合结果。在消除系统偏移后，计算得到的重力梯度测量值为2976.8 E（厄缶，重力梯度单位）。这一结果表明，基于自动锁相频率跳变技术，能够成功实施原子干涉重力梯度测量。

#### 四、 讨论与总结

本研究成功研制了一套适用于移动原子干涉重力梯度测量的自动激光频率与相位锁定系统，旨在提高系统测量效率和长期运行稳定性。该系统采用数字控制系统扫描激光误差信号，并基于数字闭环控制架构实时检测和校正激光频率与相位偏差，从而实现快速精确锁定。系统集成度高，频率锁定和相位锁定子系统可分别集成于尺寸为14 cm × 7 cm × 23.5 cm和14 cm × 9 cm × 23.5 cm的金属盒内。

本研究的主要优点在于显著提高了移动原子干涉重力梯度仪的测量效率。研究人员提出了一种兼具快速锁定和长期监测能力的、用于移动原子干涉重力梯度测量的自动频率与相位锁定方法。该方法不仅增强了测量过程中激光输出的连续性和稳定性，也有助于简化操作流程，提高整个系统的实用性。

然而，当前研究仍存在一定局限性。用于频率锁定的光路设置和用于相位锁定的电路设计集成度尚不充分，限制了整个系统进一步的小型化和集成化。在未来的工作中，将探索更紧凑、集成度更高的光学和电子学方案，以推动移动原子干涉重力梯度测量系统的实际应用和野外部署。

**研究结论**：本研究开发了一种适用于移动原子干涉重力梯度测量的自动激光频率和相位锁定系统，旨在提高系统的测量效率和长期运行稳定性。该系统采用数字控制系统扫描激光误差信号，并基于数字闭环控制架构实时检测和校正激光频率和相位偏差，从而实现快速精确锁定。系统组装优化后，频率锁定和相位锁定子系统可分别集成于紧凑的金属盒内。性能测试表明，主激光的频率锁定和从激光的相位锁定均可在80毫秒内自动快速完成。利用光学锁相环的快速重锁特性，系统实现了从激光频率的快速切换。在原子干涉重力梯度测量实验中，偏振梯度冷却阶段最大频率跳变下的重锁时间可控制在200微秒以内。使用该自动激光频率和相位锁定系统，在单个干涉仪区域获得了3.08 × 10⁷个原子，原子云温度降至3.48 μK，并最终成功实现了原子干涉重力梯度测量。