冷原子量子门多束窄线宽激光同步相位锁定电控系统的制作方法

本发明涉及激光器，具体涉及一种冷原子量子门多束窄线宽激光同步相位锁定电控系统。

背景技术：

1、冷原子量子计算利用中性原子的内部能级作为量子比特，通过多束窄线宽激光实现原子冷却、俘获、初始化、量子态操控以及状态读取等过程。其中，冷却光、再泵浦光、探测光以及量子门操控光等多路激光之间的频率稳定性、相位一致性和时序同步精度，直接影响量子态演化过程及量子门操作保真度。

2、现有冷原子量子实验系统中，多采用各激光器独立锁频、独立调制和独立控制的方式，以保证单路激光输出稳定。然而，各控制模块之间缺少统一时钟同步基准，不同控制单元容易产生时序偏差，同时受电子器件温漂、电路噪声、环境振动以及光路扰动影响，多路激光之间会产生动态相位漂移，导致光束间相对相位稳定性降低。

3、针对上述问题，现有技术部分采用光学延迟补偿器件或模拟补偿电路对相位误差进行修正，但该类方式主要针对固定相位偏移进行补偿，难以及时检测和抑制运行过程中产生的随机相位变化，且易受温度漂移和器件一致性影响，长期稳定性有限。另有方案采用公共频率参考源实现多路激光频率同步，但主要解决频率一致性问题，缺少针对多路激光相对相位实时检测与闭环校准的数字化控制机制。

4、因此，现有技术存在多路窄线宽激光跨激光器相位误差无法实时感知及动态补偿、多光束长期相位同步精度不足等问题，难以满足冷原子量子门高精度协同操控需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景技术中提到的跨激光器的多光束相位同步精度不足的问题，而提出一种冷原子量子门多束窄线宽激光同步相位锁定电控系统。

2、本发明实施的第一方面，提供了一种冷原子量子门多束窄线宽激光同步相位锁定电控系统，所述系统包括：

3、全局同步主控模块，用于产生全局同源时钟，并为全系统所有激光控制通道建立统一时序基准；

4、多路同步调制信号输出模块，用于在所述统一时序基准的控制下，并行生成并输出多路时序同步的激光调制信号与锁频驱动信号；

5、多路激光驱动锁频模块，用于接收所述激光调制信号与锁频驱动信号，并对应驱动各路窄线宽激光器；

6、跨激光器相位差实时提取模块，用于接收各路待锁激光分别与参考激光形成的拍频检测信号，对各拍频检测信号进行同步采样，并解算各路待锁激光相对于参考激光的实时相对相位偏移量；

7、全局统一反馈校准模块，用于根据所述相对相位偏移量生成各路激光独立的相位补偿控制量，并反馈至所述多路激光驱动锁频模块；

8、所述多路激光驱动锁频模块，还用于接收所述相位补偿控制量，并对应驱动各路窄线宽激光器进行相位微调；

9、所述全局同步主控模块、多路同步调制信号输出模块、多路激光驱动锁频模块、跨激光器相位差实时提取模块以及全局统一反馈校准模块构成基于统一时钟源的全数字多通道闭环相位同步控制架构，各模块在统一时序控制下循环执行拍频检测、相位解算、误差计算及反馈补偿，以保持各路激光的目标相位关系。

10、可选的，所述全局同步主控模块包括：

11、基准时钟输入接口，用于接入外部恒温晶振提供的基准时钟信号；

12、时钟分频与倍频逻辑单元，用于对所述基准时钟信号进行倍频和分频处理，生成全局同源时钟；

13、同步调度逻辑单元，用于根据所述全局同源时钟生成多路同源、同频、同相的统一时序控制信号，并分别输出至所述多路同步调制信号输出模块、所述跨激光器相位差实时提取模块以及所述全局统一反馈校准模块，以统一调度全系统各模块的时序节拍。

14、可选的，所述多路同步调制信号输出模块包括：

15、多通道数字频率合成逻辑单元，基于所述统一时序控制信号生成多路时序同步的激光调制数字信号，各路信号的频率、相位、幅度独立可编程配置；

16、多通道数模转换输出接口，与所述数字频率合成逻辑单元连接，用于将所述激光调制数字信号同步转换为模拟电压信号输出至所述多路激光驱动锁频模块，所有通道的数模转换更新触发信号均来源于所述统一时序控制信号。

17、可选的，所述跨激光器相位差实时提取模块包括：

18、多路拍频检测接口，用于使各路待锁激光分别与参考激光经光学耦合形成拍频信号；

19、光电探测单元，用于检测拍频信号并转换为电信号；

20、多通道同步模数转换控制接口，用于同步采集各路激光的拍频电信号，所有通道的采样触发时钟均来源于所述全局同步主控模块提供的同一时序控制信号；

21、相位解算逻辑单元，用于基于数字鉴相算法实时计算任意一路激光与参考激光之间的相对相位偏移量。

22、可选的，所述全局统一反馈校准模块内置数字pid控制逻辑单元；

23、所述数字pid控制逻辑单元对每一路激光通道独立配置一组固化存储的pid参数以及一个预设的目标相位偏移量值；该数字pid控制逻辑单元以各路激光相对于参考激光的实测相对相位偏移量与其对应的目标相位偏移量值之间的差值作为误差输入信号，按照比例、积分、微分三项加权合成的控制律生成各路独立的相位补偿控制量；所述相位补偿控制量包括压电陶瓷补偿控制量和激光器注入电流补偿控制量。

24、可选的，所述多路激光驱动锁频模块包括多个与激光通道一一对应设置的激光驱动单元，每一激光驱动单元分别接收对应通道的锁频驱动信号及相位补偿控制量；

25、每一激光驱动单元包括：

26、锁频控制单元，用于根据所述锁频驱动信号驱动对应窄线宽激光器完成频率锁定；

27、压电陶瓷驱动单元，与所述锁频控制单元连接，用于根据相位补偿控制量调节激光谐振腔腔长，以补偿低频相位漂移；

28、激光器电流调制单元，与所述锁频控制单元连接，用于根据相位补偿控制量调节激光器注入电流，以补偿高频相位扰动。

29、可选的，各激光通道的pid参数为经优化算法离线整定后固化存储于系统参数存储区中的常量；所述优化算法在离线整定阶段以多项性能指标加权和最小作为参数寻优的优化目标，所述多项性能指标包括：各激光通道相位误差绝对值在预设的时间窗口内对时间积分之和、各激光通道相位误差在时间窗口内的方差之和；并以各激光通道相位补偿控制量变化率绝对值的积分小于对应的第一预设阈值、各激光通道相位误差变化率绝对值的积分小于对应的第二预设阈值作为约束条件；其中，相位误差为各激光通道的实测相对相位偏移量与其预设目标相位偏移量之间的偏差，所述约束条件在优化过程中以惩罚函数的形式附加于所述优化目标中，当任一约束条件不满足时，对当前候选解施加惩罚，使其适应度劣化并被排除出最优解。

30、可选的，所述系统还包括参数整定模块，用于对各激光通道的pid参数进行优化，采用的优化算法为基于竞争更新机制的混合群智能优化算法；所述参数整定模块包括：

31、种群初始化模块，用于初始化多个个体，每个个体的位置向量在预设范围内随机初始化；

32、候选解竞争模块，用于对于当前种群中的每一个个体，并行生成两个候选解，分别为粒子群优化候选解和蝠鲼觅食优化候选解；分别计算两个候选解的适应度值，并采用贪心选择机制选取适应度最优的候选解作为该个体的新位置；其中，所述粒子群优化候选解基于粒子群优化算法的速度与位置更新方程生成，所述蝠鲼觅食优化候选解基于蝠鲼的链式觅食策略或涡流觅食策略生成；

33、蝠鲼觅食优化模块，用于对经过竞争选择后的每一个个体，基于蝠鲼的后空翻觅食策略围绕当前全局最优位置更新个体位置，若更新后的适应度优于更新前则接受该更新；

34、变异操作模块，用于对当前的个体执行高斯变异操作，生成新的候选解，若变异后的适应度优于变异前则接受该变异；

35、全局最优更新模块，用于更新所有个体的历史最优位置，并遍历整个种群确定全局最优位置；

36、终止控制模块，用于若达到最大迭代次数，则终止迭代，输出全局最优位置所对应的pid参数组合作为最优pid参数组合；否则返回候选解竞争模块继续迭代。

37、可选的，所述适应度的计算公式为：

38、；

39、其中，f为所求适应度；m为参与的激光通道总数；t为预设的时间窗口；是第i通道的相位误差；是第i通道相位误差在t内的方差；penalty是惩罚项；是第i通道的相位补偿控制量变化率；是第i通道的相位误差变化率；、分别是第i通道对应的第一预设阈值和第二预设阈值；是正部函数；、、是权重系数。

40、本发明的有益效果：

41、1、本发明通过全局同步主控模块产生同源时钟并为全系统建立统一时序基准，结合多路同步调制信号输出模块、跨激光器相位差实时提取模块和全局统一反馈校准模块，构建了全数字多通道闭环相位同步控制架构。相比现有技术中多激光器独立锁频、独立调制的方式，本发明从源头消除了各控制模块间的时序偏差，使拍频检测、相位解算、误差计算及反馈补偿均在统一时序节拍下循环执行，大幅提高了多路窄线宽激光之间的相对相位稳定性，能够有效抑制电子器件温漂、电路噪声及环境振动引起的动态相位漂移，满足冷原子量子门操作对多光束高精度协同操控的严苛要求。

42、2、本发明在各激光通道中独立配置pid参数，并通过压电陶瓷与注入电流双路补偿分别抑制低频漂移和高频扰动，提升了相位锁定的带宽和精度。同时，采用经优化算法离线整定的固化pid参数，配合基于竞争更新机制的混合群智能优化算法进行参数寻优，可针对多通道、多约束的复杂系统快速获得全局最优控制参数，确保系统在长期运行中保持高鲁棒性和一致性。