陳瑋婷，孔德龍,2，裴 闖，王杰英，韋俊新，趙小明,2

（1.天津航海儀器研究所，天津 300131；2.中國船舶集團(tuán)有限公司航海保障技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，天津 300131）

近二十年來，隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于激光操控堿金屬原子物質(zhì)波干涉的冷原子干涉測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展。由于物質(zhì)波干涉本身所具有的超高極限分辨力和良好的長期穩(wěn)定性，冷原子干涉慣性測(cè)量技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。其中，尤其以冷原子干涉重力測(cè)量技術(shù)的成熟度和應(yīng)用前景最為理想，商品化、工程化的原子重力儀樣機(jī)研制迫在眉睫[4-6]。

冷原子干涉儀從實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用需要解決兩類問題：一是尺寸重量功耗（Size,weight and power,SWaP）的壓縮，二是環(huán)境適應(yīng)性和外場(chǎng)測(cè)量穩(wěn)定性的提升。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)通常采用兩到三臺(tái)激光器及配套激光控制系統(tǒng)，體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，搬移、運(yùn)輸較為困難，使其應(yīng)用場(chǎng)景受到一定制約；樣機(jī)測(cè)量穩(wěn)定性高度依賴于激光頻率、功率、相位的穩(wěn)定性，復(fù)雜外場(chǎng)條件下系統(tǒng)恢復(fù)過程繁瑣，環(huán)境適應(yīng)能力不足[7-9]。為解決工程化應(yīng)用中的上述困難，基于激光邊帶調(diào)制技術(shù)的單激光器冷原子干涉技術(shù)逐步發(fā)展[10-13]。激光邊帶調(diào)制（Laser sideband modulation,LSM）技術(shù)使得光源系統(tǒng)得以簡化，一定程度上促進(jìn)了冷原子干涉儀的實(shí)用化進(jìn)程，但激光控制系統(tǒng)的工程化目前尚處于起步階段。冷原子干涉測(cè)量控制時(shí)序復(fù)雜，尤其是激光控制變量多、過程銜接緊，自動(dòng)化、集成化、人機(jī)交互友好的激光控制系統(tǒng)研制不僅能夠改善模塊分立、控制離散等引起的SWaP 無謂增加，更有助于簡化信號(hào)通路，減少干擾環(huán)節(jié)，提升系統(tǒng)快速啟動(dòng)能力、測(cè)量可靠性及可維修性。

本文從冷原子干涉儀的工程化應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，基于單激光器激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一套集成微處理單元（Integrated micro processing unit,IMPU）+分布執(zhí)行單元（Distributed executing unit,DEU）子系統(tǒng)框架，在該框架下搭建了以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array,FPGA）和直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesis,DDS）為核心的激光控制系統(tǒng)，用于控制激光器分時(shí)復(fù)用輸出包括冷卻光、再泵浦光、吹走光、拉曼光、探測(cè)光等在內(nèi)的所有冷原子干涉所需操控激光，且激光頻率（相位）、功率和開關(guān)全程控在線可調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)估了所設(shè)計(jì)激光輸出控制系統(tǒng)的性能，87Rb 原子自由下落式冷原子干涉實(shí)驗(yàn)和重力測(cè)量驗(yàn)證了所提方案的有效性。

1 冷原子干涉原理

冷原子干涉包括四個(gè)基本過程：一、冷卻陷俘，通過施加梯度磁場(chǎng)、冷卻光，使處于超高真空腔體內(nèi)的自由擴(kuò)散的原子速度降低至cm/s 量級(jí)，并囚禁于梯度磁場(chǎng)的勢(shì)能低點(diǎn)處成為冷原子團(tuán)；二、初態(tài)制備，在冷原子團(tuán)自由下落的過程中，通過施加再泵浦光、偏置磁場(chǎng)、微波、拉曼光、吹走光，將原子態(tài)純化到52S1/2，F(xiàn)=2，mF=0 態(tài)上；三、干涉，在原子繼續(xù)自由下落的過程中，依次作用π/2、π、π/2 三對(duì)拉曼光脈沖，使原子在內(nèi)態(tài)上依次發(fā)生分束、態(tài)反轉(zhuǎn)、合束，在空間上依次發(fā)生雙態(tài)原子運(yùn)動(dòng)分離、自由演化、雙態(tài)原子匯合過程；四、探測(cè)，通過施加探測(cè)光和再泵浦光依次對(duì)F=2 態(tài)和F=1 態(tài)原子布居數(shù)進(jìn)行測(cè)量，兩個(gè)態(tài)上原子布居數(shù)隨拉曼光頻率啁啾率變化而變化，最終形成干涉條紋圖樣。

以87Rb 原子為例，整個(gè)冷原子干涉過程所需的冷卻光、再泵浦光、吹走光、拉曼光、探測(cè)光頻率由87Rb原子D2 線能級(jí)圖確定，如圖1 所示。

圖1 87Rb 原子D2 線及所需激光頻率示意圖Fig.1 The energy level scheme of 87Rb D2 line and the required laser frequencies

2 激光系統(tǒng)方案

2.1 光路方案

根據(jù)冷原子干涉實(shí)驗(yàn)過程及圖1 所示激光頻率需求，設(shè)計(jì)單激光器激光系統(tǒng)光路方案如圖2 所示。

圖2 單激光器冷原子干涉儀激光光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of the laser setup used in the cold atom interferometer

結(jié)合圖2 所示光路設(shè)計(jì)，激光光路方案說明如下：

(1) 采用通信波段1560 nm光纖激光器作為種子源，種子源輸出一分為二，分別經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大及周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN）倍頻，獲得兩路780 nm 激光輸出；其中一路用于激光器鎖頻，以及冷卻光、再泵浦光、吹走光、探測(cè)光輸出，另一路用于拉曼光輸出。

(2) 采用調(diào)制轉(zhuǎn)移光譜（Modulation Transfer Spectroscopy,MTS）對(duì)激光頻率進(jìn)行鎖定，鎖頻頻率設(shè)為F=2→F’=3 循環(huán)線，鎖頻光路輸入激光雙次穿過聲光晶體調(diào)制器（Acousto-Optic Modulator,AOM）AOM1（中心頻率CFAOM1=850 MHz），鎖定后激光器原始輸出激光頻率相比于F=2→F’=3 共振躍遷頻率正失諧170 MHz；改變AOM1 驅(qū)動(dòng)頻率，失諧頻率也相應(yīng)改變。

(3) 激光器原始輸出通過 AOM2（中心頻率CFAOM2=185 MHz）移頻，分時(shí)復(fù)用輸出冷卻光、探測(cè)光和吹走光。

(4) 激光器電光調(diào)制器（Electro-optical Modulator,EOM ）EOM2（中心頻率CFEOM2=6583.03 MHz），施加調(diào)制獲得邊帶激光，用于同時(shí)輸出冷卻光和再泵浦光，或同時(shí)輸出探測(cè)光和再泵浦光。

(5) 激光器另一路原始輸出雙次穿過AOM3（中心頻率CFAOM3=300 MHz）進(jìn)行失諧頻率調(diào)節(jié)，通過EOM3（中心頻率CFEOM2=6834.68 MHz）調(diào)制獲得邊帶激光，經(jīng)AOM4（中心頻率CFAOM1=220 MHz）二次移頻后用于輸出拉曼光。

2.2 集成控制方案

根據(jù)圖2 所示光路設(shè)計(jì)，將冷原子干涉過程所需的各激光的頻率、功率和開關(guān)控制全部通過光路AOM及EOM 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率（相位）、功率和開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)，控制方案如表1 所示。

表1 冷原子干涉儀激光控制方案Tab.1 The laser control scheme used in the cold atom interferometer

根據(jù)表1 輸出控制方案，設(shè)計(jì)搭建激光控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 激光控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Block diagram of the laser control unit

上位機(jī)軟件采集用戶設(shè)置的驅(qū)動(dòng)配置參數(shù)，由通用異步收發(fā)傳輸器傳輸至微處理器FPGA，F(xiàn)PGA 通過串行外設(shè)接口對(duì)執(zhí)行器件DDS 進(jìn)行輸出頻率、相位、幅度和開關(guān)參數(shù)配置。AOM1～AOM4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率在60～300 MHz 范圍內(nèi)可調(diào)，可由DDS 芯片直接輸出獲得，經(jīng)射頻功率放大（PA#1）后分別施加到各個(gè) AOM。EOM2、EOM3 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率在6500～6900 MHz 的微波頻段范圍內(nèi)，傳統(tǒng)DDS 芯片難以直接輸出該頻段信號(hào)，故設(shè)計(jì)載波移頻模塊，原理組成如下：(1)采用原子鐘同步DDS 與介質(zhì)鎖相振蕩器（PDRO）的參考時(shí)鐘，保證全系統(tǒng)同源；(2)將DDS 和PDRO 的輸出信號(hào)分別輸入到混頻器的IF 端和LO 端，混頻器的RF 端輸出以PDRO 輸出本振頻率為中心的上邊帶（和頻）和下邊帶（差頻）信號(hào)；(3)RF 端輸出信號(hào)經(jīng)過隔離器和帶通濾波器消除本振頻率及上邊帶頻率，獲得目標(biāo)頻率（下邊帶）輸出。最終，通過微波功率放大（PA#2）后施加到各EOM作為驅(qū)動(dòng)。

由上述原理可知，當(dāng)輸入到混頻器IF 端的DDS信號(hào)頻率在一定范圍內(nèi)（保證混頻目標(biāo)頻率始終在帶通濾波器通帶范圍內(nèi)）發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)混頻后施加到EOM 上的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率也跟隨變化；當(dāng)輸入到混頻器IF 端的DDS 信號(hào)功率在一定范圍內(nèi)（滿足混頻器最低輸入要求）發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)混頻后施加到EOM上的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率也將跟隨變化；當(dāng)輸入到混頻器IF 端的DDS 信號(hào)通過射頻開關(guān)關(guān)斷時(shí)，IF 端輸入無法滿足混頻器最低輸入要求，混頻器的RF 端輸出僅包含較低功率的原始本振信號(hào)，通過隔離器和帶通濾波器后被完全濾除，無信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)EOM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷。載波移頻模塊設(shè)計(jì)，使得EOM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、相位、功率、時(shí)序開關(guān)控制也可經(jīng)由FPGA 對(duì)DDS 輸出信號(hào)的頻率、相位、幅度和開關(guān)參數(shù)配置來實(shí)現(xiàn)。

基于圖3 所示設(shè)計(jì)，所有激光參數(shù)控制執(zhí)行均通過FPGA 對(duì)各個(gè)DDS 的參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)。以DDS 作為面向終端的分布式控制執(zhí)行單元，硬件和軟件設(shè)計(jì)模塊化、可復(fù)用、易擴(kuò)展、多通路性能一致性強(qiáng)，針對(duì)不同需求不同光學(xué)方案的匹配和可移植性大幅提升。以FPGA 作為集成微處理中心，控制集成度提升，信號(hào)流一致清晰，便于故障分析定位。

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估與重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 激光系統(tǒng)性能評(píng)估

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)激光控制系統(tǒng)性能，進(jìn)行了激光響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試?；祛l本振輸出頻率為7 GHz，根據(jù)測(cè)量要求，分別采用通帶范圍為6500～6700 MHz 的隔離器和濾波器，獲得EOM2 調(diào)制所需的覆蓋冷卻、探測(cè)過程的6568.03～6683.03 MHz 微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，以及采用通帶范圍為6700～6900 MHz 的隔離器和濾波器，獲得EOM3 調(diào)制所需的覆蓋拉曼啁啾過程的6834.68±2αTMHz（其中，α為拉曼頻率啁啾率，T為干涉脈沖間隔）微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。最終，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)配置DDS1～DDS6 的頻率（相位）、幅度及開關(guān)參數(shù)，獲得激光驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

首先，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出功率進(jìn)行了測(cè)試。DDS 的輸出功率由DDS 芯片內(nèi)置幅度控制字控制，通過上位機(jī)發(fā)送至FPGA 的幅度參數(shù)，對(duì)DDS 幅度控制字進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)滿功率輸出進(jìn)行0～1 范圍內(nèi)不同幅度因子衰減。以DDS5 和DDS6 為例，分別在再泵浦光頻率（CF=6583.03 MHz ）和拉曼光頻率（CF=6834.68 MHz）下測(cè)試了幅度因子在0.01～1 范圍內(nèi)變化時(shí)的DDS 芯片直接輸出功率曲線，以及經(jīng)微波信號(hào)發(fā)生模塊后用于調(diào)制EOM2和EOM3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率曲線，如圖4(a)(b)所示。

圖4 射頻驅(qū)動(dòng)功率隨DDS 幅度因子參數(shù)變化曲線Fig.4 The RF driving power vs the amplitude factor configuration of the DDS device

由圖4 所示結(jié)果可以看出，通過上位機(jī)改變DDS5和DDS6 幅度因子，可將DDS 輸出信號(hào)在約40 dB 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)；相應(yīng)地，測(cè)試得到經(jīng)載波移頻模塊后，EOM2 和 EOM3的驅(qū)動(dòng)功率分別在-14.31 dBm～24.9 dBm 及-12.33 dBm～26.45 dBm 范圍內(nèi)變化，EOM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍及功率變化趨勢(shì)與DDS 自身動(dòng)態(tài)范圍及功率變化趨勢(shì)基本一致。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了通過上位機(jī)配置DDS 幅度因子參數(shù)對(duì)EOM 驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的有效性。

接下來，分別在再泵浦光驅(qū)動(dòng)頻率（6583.03 MHz）和拉曼光驅(qū)動(dòng)頻率（6834.68 MHz）下，測(cè)試了EOM2 和EOM3 在不同調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率下的調(diào)制度響應(yīng)變化曲線，如圖5(a)(b)所示。其中，調(diào)制度定義為主激光與一級(jí)調(diào)制邊帶光功率之比。

圖5 EOM 調(diào)制響應(yīng)曲線Fig.5 The modulation response curves of the EOMs

由測(cè)試結(jié)果可以看出，EOM 后端輸出的主激光與+1 級(jí)調(diào)制邊帶光功率之比隨調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率變化而呈單調(diào)變化；結(jié)合圖4 所示功率測(cè)試曲線可知，通過改變DDS5 和DDS6 幅度因子參數(shù)來改變調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率，可以在較大跨度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)主激光與調(diào)制邊帶光功率比的靈活調(diào)節(jié)，從而用于EOM2 和EOM3后端激光功率的調(diào)節(jié)。

AOM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DDS 輸出信號(hào)直接功率放大而來，在功率放大器的線性工作區(qū)間內(nèi)，增益為固定值，因而經(jīng)功率放大后輸入到AOM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率也可通過上位機(jī)配置DDS 幅度因子參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。我們以AOM4 為例，測(cè)試了在AOM4 工作頻率（200 MHz）下，其后端+1 級(jí)衍射光的衍射效率隨DDS4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度因子變化曲線，如圖6 所示。

圖6 AOM4 衍射效率隨幅度因子變化曲線Fig.6 The diffraction efficiency of the AOM4 vs the amplitude factor configuration of the DDS device

由測(cè)試結(jié)果可以看出，AOM 后端+1 級(jí)衍射光的衍射效率隨DDS4 的幅度因子參數(shù)變化而呈單調(diào)變化；改變DDS4 幅度因子參數(shù)可以在較大范圍內(nèi)對(duì)AOM4 衍射效率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而用于AOM4 后端衍射激光功率的調(diào)節(jié)。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)冷原子干涉過程所用各個(gè)操控激光功率的調(diào)節(jié)均可以通過上位機(jī)實(shí)時(shí)配置DDS 幅度因子參數(shù)來實(shí)現(xiàn)?；贒DS 參數(shù)配置的激光功率控制系統(tǒng)不僅能夠提高激光系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活度和恢復(fù)效率，還能夠進(jìn)一步用于激光功率的閉環(huán)反饋控制，從而改善復(fù)雜外場(chǎng)環(huán)境下激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

接下來，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試。通過射頻開關(guān)控制DDS 輸出信號(hào)通斷，分別測(cè)量通、斷狀態(tài)下施加到AOM 及EOM 驅(qū)動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)功率，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

由表2 所示結(jié)果可以看出，關(guān)斷狀態(tài)下，實(shí)際的AOM 驅(qū)動(dòng)功率低于測(cè)試儀器的噪聲本底，各驅(qū)動(dòng)輸出相比于滿幅驅(qū)動(dòng)功率衰減均在93 dB 以上，通過光功率計(jì)測(cè)量各個(gè)AOM 一級(jí)衍射光功率衰減在106倍量級(jí)，能夠滿足激光關(guān)斷需求。類似地，關(guān)斷狀態(tài)下，實(shí)際的EOM 驅(qū)動(dòng)功率也低于測(cè)試儀器的噪聲本底，各驅(qū)動(dòng)輸出相比于滿幅驅(qū)動(dòng)功率衰減均在84 dB 以上，通過法布里-珀羅（FP）腔觀測(cè)邊帶調(diào)制光均在測(cè)量儀器本底噪聲以下，滿足邊帶激光關(guān)斷需求。上述結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

表2 AOM 及EOM 驅(qū)動(dòng)開關(guān)測(cè)試結(jié)果Tab.2 The results of the switch on-off tests on the AOM drivers and the EOM drivers

AOM 及EOM 的驅(qū)動(dòng)頻率控制，由DDS 輸出頻率控制字計(jì)算公式得到。DDS 從原理優(yōu)勢(shì)上支持頻率捷變輸出，這里不再對(duì)頻率控制測(cè)試進(jìn)行贅述。值得一提的是，除頻率控制字外，DDS 芯片支持附加相位控制，采用相位控制字參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)任意相位捷變輸出，尤其適用于拉曼光相位掃描、相位補(bǔ)償?shù)雀缮孢^程的控制實(shí)現(xiàn)。

冷原子干涉過程中，拉曼光相位噪聲的抖動(dòng)將直接被原子所感知，表現(xiàn)兩個(gè)態(tài)上原子布居數(shù)的抖動(dòng)。因此，拉曼光相位噪聲性能是冷原子干涉重力測(cè)量的關(guān)鍵，也是外場(chǎng)測(cè)量穩(wěn)定性的核心考慮要素。針對(duì)這一問題，在拉曼光工作頻率（6834.68 MHz）下，測(cè)試了通過EOM3 邊帶調(diào)制產(chǎn)生的拉曼光相位噪聲，并將其與傳統(tǒng)雙激光器激光拍頻鎖相環(huán)路（Optical phase-locked loop,OPLL）產(chǎn)生的拉曼光相位噪聲對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 拉曼光相位噪聲性能測(cè)試結(jié)果Fig.7 The comparison results of the phase noise of the Raman beat notes generated by the proposed method

由圖7 所示測(cè)試結(jié)果可以看出，所搭建的激光輸出控制系統(tǒng)控制產(chǎn)生的拉曼光拍頻相位噪聲在全頻帶范圍內(nèi)優(yōu)于傳統(tǒng)OPLL 技術(shù)產(chǎn)生的拉曼光拍頻相位噪聲。上述結(jié)果證明了基于LSM 技術(shù)產(chǎn)生拉曼光的拍頻相位噪聲性能主要取決于調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)源的相位噪聲性能，而基于OPLL 技術(shù)產(chǎn)生的拉曼光拍頻相位噪聲性能不僅依賴于鎖相環(huán)路參考信號(hào)源的相位噪聲性能，還高度依賴于鎖相環(huán)路本身的噪聲性能。在較低頻偏范圍內(nèi)，基于OPLL 技術(shù)產(chǎn)生的拉曼光相位噪聲趨近于環(huán)路參考信號(hào)源的噪聲水平；從數(shù)百Hz 以上頻偏處開始，基于OPLL 技術(shù)產(chǎn)生的拉曼光的相位噪聲與邊帶調(diào)制產(chǎn)生拉曼光的相位噪聲差距逐漸增大，說明此時(shí)鎖相環(huán)路噪聲成為主要制約因素，因而高質(zhì)量拉曼光作用對(duì)鎖相環(huán)路設(shè)計(jì)及參數(shù)整定提出較高要求[14-16]。

考慮實(shí)際的工程化應(yīng)用，外場(chǎng)測(cè)量條件相對(duì)復(fù)雜，激光與環(huán)路狀態(tài)不確定因素增多，最終表現(xiàn)為基于OPLL 技術(shù)產(chǎn)生的拉曼光相位噪聲性能可能高度敏感外界測(cè)量條件。本文所搭建的激光輸出控制系統(tǒng)通過DDS 載波移頻模塊產(chǎn)生拉曼光邊帶調(diào)制，充分利用了驅(qū)動(dòng)參考源的相噪優(yōu)勢(shì)，尤其是DDS 器件本身的相噪優(yōu)勢(shì)，獲得較好的拉曼光相位噪聲性能，且對(duì)環(huán)境變化低敏感，因而更適合外場(chǎng)測(cè)量環(huán)境應(yīng)用。

3.2 冷原子干涉重力測(cè)量

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的激光控制系統(tǒng)性能，利用兩套重力儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并開展了冷原子干涉重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)基于OPLL 技術(shù)的雙激光器控制系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩套控制機(jī)柜實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 雙激光器激光拍頻鎖相控制機(jī)柜（左）與單激光器邊帶調(diào)制控制機(jī)柜（右）實(shí)物對(duì)比Fig.8 Photograph of the control cabinets based on the OPLL(left) and the LSM(right),respectively

根據(jù)表1 所示激光控制方案，冷原子（87Rb）干涉實(shí)驗(yàn)過程中的光學(xué)驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序如圖9 所示。

圖9 冷原子（87Rb）干涉實(shí)驗(yàn)光學(xué)驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序Fig.9 Sequence chart of the laser driver control unit during the cold atom (87Rb) interference

根據(jù)冷原子干涉時(shí)序過程的激光控制需求，在冷卻陷俘階段，將DDS5 頻率設(shè)置為416.97 MHz，幅度因子設(shè)置為0.083，獲得冷卻光與再泵浦光功率比為8.89:1；在干涉作用階段，將 DDS6 頻率設(shè)置為155.32 MHz，幅度度因子設(shè)置為0.175，實(shí)現(xiàn)拉曼光功率比1:1.66；在探測(cè)階段，將DDS5 頻率設(shè)置為431.97 MHz，幅度度因子設(shè)置為0.175，實(shí)現(xiàn)再泵浦光與探測(cè)光功率比60.42:1。

如圖10所示為通過掃描FP腔采集得到的各EOM后端輸出激光?？梢钥闯?，所設(shè)計(jì)的激光控制系統(tǒng)經(jīng)過上述參數(shù)設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)所需頻率、功率的激光輸出，用于冷原子干涉實(shí)驗(yàn)。進(jìn)一步，通過動(dòng)態(tài)配置DDS6頻率參數(shù)，對(duì)EOM3 調(diào)制驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行線性掃描，實(shí)現(xiàn)拉曼頻率啁啾。

圖10 冷原子干涉重力測(cè)量中各EOM 調(diào)制輸出激光Fig.10 The modulation outputs of the EOMs in the cold atom interferometric gravity measurement

最后，所設(shè)計(jì)激光控制系統(tǒng)在上述參數(shù)配置下，開展冷原子干涉重力長期測(cè)量。如圖11 所示為兩套控制系統(tǒng)下的重力測(cè)量值與理論值（固體潮模型）對(duì)比結(jié)果，其中，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)由300 s 數(shù)據(jù)獲得，連續(xù)測(cè)量時(shí)間為41 h。

由圖11 所示測(cè)量結(jié)果可見，兩套控制系統(tǒng)下的重力測(cè)量結(jié)果經(jīng)過潮汐修正后的殘差波動(dòng)基本在±20 μGal 水平。通過Allan 方差評(píng)估長期穩(wěn)定性分別為5.0 μGal@1h 和4.3 μGal@1 h，如圖12 所示。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)的激光控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)OPLL技術(shù)框架下的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)性能相當(dāng)，且充分發(fā)揮了單激光光源和集成控制優(yōu)勢(shì)，體積、重量、功耗分別為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)機(jī)柜的1/3.6、1/1.9、1/1.6，最終使得控制機(jī)柜SWaP 降低至傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)的1/11。

圖11 41 小時(shí)連續(xù)重力固體潮測(cè)量結(jié)果Fig.11 The results of the 41-hour measurement of earth tidal gravity

圖12 重力測(cè)量Allan 方差評(píng)估Fig.12 Allan deviations of the measurements

4 結(jié)論

本文面向冷原子干涉儀的工程化應(yīng)用，搭建了以FPGA 為集成微處理單元和DDS 為分布執(zhí)行單元的單激光器激光控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了僅通過對(duì)DDS 頻率（相位）、功率、開關(guān)參數(shù)在線配置，即時(shí)完成冷原子干涉全過程的激光控制?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)型簡單、設(shè)計(jì)一致性強(qiáng)、可擴(kuò)展、易復(fù)用、可維修性強(qiáng)的特征符合激光控制系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)的要求。

為了驗(yàn)證所搭建激光控制系統(tǒng)的功能，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)不同驅(qū)動(dòng)頻率和功率控制下的激光邊帶調(diào)制、激光衍射效率、激光開關(guān)特性及拉曼光相位噪聲分別進(jìn)行了性能評(píng)估，在此基礎(chǔ)上完成了冷原子干涉和重力測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出方案能夠用于冷原子干涉儀激光輸出控制，基于所搭建激光控制系統(tǒng)的冷原子干涉重力測(cè)量性能與傳統(tǒng)OPLL 技術(shù)框架下的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)性能相當(dāng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了SWaP的大幅改善。

此外，所提出方法能夠?qū)崿F(xiàn)激光頻率（相位）、功率和開關(guān)全程控在線可調(diào)，提高了激光系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，同時(shí)有助于改善拉曼光相位噪聲環(huán)境敏感性，為復(fù)雜環(huán)境條件下激光反饋控制、系統(tǒng)穩(wěn)定性及快速啟動(dòng)能力提升等奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。本文所發(fā)展的激光控制系統(tǒng)有助于推動(dòng)冷原子干涉儀的工程化及其在重力測(cè)量方面的應(yīng)用。