CN102386556A - 原子激发态反常色散原子滤光器及过滤信号光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子激发态反常色散原子滤光器及过滤信号光的方法，过滤器包括第一起偏器件、第二起偏器件、至少一个无极灯和加热元件，无极灯位于第一起偏器件和第二起偏器件的中间，第一起偏器件和第二起偏器件的起偏方向达到对没有旋光效应的光的最大消光作用，无极灯中形成一个大小和方向可调节的静磁场，无极灯靠近起偏器件的两端可透光，加热元件固定在无极灯上。过滤信号光的方法为：1)调整滤光器中静磁场的大小；2)加热并启动无极灯；3)信号光从第一起偏器件入射后穿过无极灯发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。本发明使用无极灯构成的原子滤光器可以省去泵浦激光系统，使滤光器的成本、体积和复杂度大大降低。

Description

原子激发态反常色散原子滤光器及过滤信号光的方法

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及一种利用原子在磁场中产生的反常色散现象进行原子滤光的原子滤光器及使用该滤光器过滤信号光的方法。

技术背景

在空间光通信，水下光通信，激光雷达遥感过程中，光信号容易受日光星光等杂散光的干扰，滤光器的作用就是屏蔽信号光频率以外的其他频率的干扰光，其性能的优劣直接影响着通信的质量。原子滤光器相比于传统的干涉滤光片以及双折射晶体滤光器来说具有更窄的带宽，更好的边带抑制比，更大的接入角度，更大的透过率，并且工作频率在一定范围内可调谐，在光通信领域有着很大的发展优势。原子滤光器可以分为两大类，一类是吸收型原子滤光器，另一类是色散型原子滤光器。前者的原理是，利用原子对特定波长的光才有明显的吸收效应，并且由于自发辐射跃迁，发射出另外一种频率的光，从而将这种特定波长的光选择出来，其他频率的光全部被屏蔽，其优点就是带宽窄，接近180°优秀的接收角，但是其缺点在于，吸收和再发射的过程大大降低了滤光器的响应速度，并且由于再发射出来的是荧光，使得透过率不会很大。色散型滤光器则避免了这一点，其利用原子对线偏振光的色散效应，对处在原子共振的谱线附近的频率光产生较强的旋光作用，以达到滤光的作用，响应速度很快，而且出射的是激光，透射率可以做的很大。利用原子法拉第反常色散效应滤光器(FADOF)是它的一个典型代表。

FADOF又可以分为被动式和主动式两种类型。被动式FADOF的经典构造和原理是这样的，在光行进的方向上依次放置两片偏振方向相互正交起偏器件，在它们之间放置原子汽室，并且加上轴向磁场。原子在磁场中发生塞曼分裂，导致基态原子对左右旋光的吸收谱线以及色散谱线的分裂，这将导致原子的圆双色性和圆双折射性，只有频率处在未加磁场的共振吸收线的边带上的特定频率的线偏振光经过入射原子汽室后才会发生偏振面的旋转，有些频率的偏振光能够旋转90°全部透射出去。共振法拉第效应的带宽很窄，主要由多普勒增宽线宽决定。主动式FADOF的思想就是将工作的原子由基态转移到激发态，其经典构造和被动式FADOF的区别就是用一束特定频率的泵浦激光打入这个原子汽室，将基态原子泵浦到激发态，其他的构造几乎一样，原理也大致相当，这种主动式FADOF的好处就是，激发态能级之间的跃迁频率要比基态的跃迁频率丰富很多，各种光通信的首选波段几乎全部可以在激发态能级之间找到，比如说适于水下光通信的0.47-0.58um蓝绿光波段，钾原子4P1/2-8S1/2，532nm跃迁，铷原子5P3/2-8D5/2，543nm跃迁等都可以与之对应。所以主动式FADOF又称为激发态原子滤光器(ESFADOF)。

到目前为止，国际上所有的激发态原子滤光器ESFADOF系统中，泵浦激光都是必不可少的组成部分。用于泵浦的激光要求激光的频率要和ESFADOF的工作原子跃迁谱线共振，一旦所选择的激发态的共振频率不属于常规波段，那么挑选激光的工作物质以及激光器的调谐将是一件复杂而且昂贵的工作，比如说对于光纤光通信来说，若想使用铷原子5P3/2-4D3/2、4D5/2，1529nm的跃迁，这种半导体激光管就不容易找到，只能用镀了抗反射膜的昂贵的激光管调谐过来。另外，激光频率的稳定度对泵浦的效果影响也很大，所以通常一套稳频系统是不可缺少的。所以这样的泵浦系统会使滤光器的成本大大增加，甚至超过滤光器本身。

发明内容

本发明为了减少激发态法拉第反常色散滤光器ESFADOF的结构和成本，提出一种新型的滤光器结构，采用无极灯，利用无极灯的射频线圈将无极灯内的原子激发到激发态，实现了省去传统系统结构中昂贵的泵浦激光的目的。大大降低了滤光器的成本、体积和复杂度。

为了实现上述目的，本发明提供的新型滤光器结构叙述如下。

滤光器包括第一起偏器件、第二起偏器件、至少一个无极灯和加热元件，无极灯位于第一起偏器件和第二起偏器件的中间，第一起偏器件和第二起偏器件的起偏方向达到对没有旋光效应的光的最大消光作用，无极灯中形成一静磁场，无极灯靠近起偏器件的两端可透光，加热元件固定在无极灯上，用于加热无极灯。

所述无极灯为一玻璃泡，玻璃泡中充有工作原子物质和缓冲气体，玻璃泡外绕有射频耦合线圈。

所述射频耦合线圈与玻璃泡不接触。

采用将无极灯置于两磁铁中间的方式在无极灯中形成一静磁场。调整磁铁的位置即可调整静磁场的大小和方向。

采用给无极灯的射频耦合线圈提供直流电流的方法在无极灯中形成一静磁场。

所述滤光器还包括一控温装置，与加热元件连接控制加热温度。

所述滤光器还包括一滤光片，位于第二起偏器件和无极灯之间。

所述提供给无极灯的射频功率为60MHz至200MHz。

本发明还提供一种所述过滤器过滤信号光的方法，包括如下步骤：

1)根据无极灯的工作原子调整滤光器中静磁场的大小和方向；

2)加热元件将无极灯加热到设定温度；

3)需过滤的信号光从第一起偏器件入射后穿过无极灯发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。此时无极灯中的工作原子处于基态。

本发明的另一种所述过滤器过滤信号光的方法，包括如下步骤：

1)根据无极灯的工作原子调整滤光器中静磁场的大小和方向；

2)加热元件将无极灯加热到设定温度；

3)无极灯的射频耦合线圈为无极灯提供60MHz至200MHz的射频功率，使无极灯中的工作原子处于激发态；

4)需过滤的信号光从第一起偏器件入射后穿过无极灯发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。此时无极灯中的工作原子处于激发态。

所述信号光入射的角度为以滤光器轴向方向为中心，偏斜45°以内。

通过调整滤光器中无极灯两边的磁铁位置调整静磁场的大小和方向。

通过调整滤光器中无极灯上射频耦合线圈的直流电流调整静磁场的大小和方向。

本发明设计的滤光器可以工作在基态(效果同被动式FADOF)，也可以工作在激发态(效果同主动式FADOF，即激发态滤光器ESFADOF)。工作流程叙述如下。

如果要工作在原子基态，灯泡不必点亮，只要加热就可以。

如果要工作在原子激发态，灯泡预先加热，然后供给射频功率，维持灯发出的光颜色均匀，并且明亮，各个激发态能级上都会布居上原子。待滤光的激光信号以滤光器轴向方向为中心，偏斜45°之内都可以入射滤光器系统。其穿过系统的第一个起偏器件之后，以一个固定的偏正状态继续穿过灯泡，只有频率在能够和激发态原子共振的频率附近的光才会发生偏振面的旋转，才可以透过第二个起偏器，其他频率的光则全部被挡住。

由上述技术方案可知，作为原子钟的一种重要泵浦光源(尤其是铷原子钟)，无极灯能够发射丰富的光谱，无极灯在加热之后，汽室内原子密度加大，碰撞几率和强度加大，当射频源功率耦合进来，稀有气体会将工作原子碰撞激发到很高的能态，然后原子自发辐射或碰撞辐射跃迁回低能态，放出相应频率的光子，灯就被点亮了，各个激发态上都会有原子存在，这说明各个激发态上已经在电激励的方式下有原子布居，灯的工作状态可以随着温度和射频功率的变化而调节，可以调节到一个状态使得滤光器工作的激发态能级上原子个数最多，这种情况下，滤光器就会有一个高透过率。对比传统的ESFADOF来说，本发明使用无极灯构成的ESFADOF可以省去泵浦激光系统，使滤光器的成本、体积和复杂度大大降低。

附图说明

图1是实施例1的法拉第反常色散原子滤光器结构示意图；

图2是实施例2的法拉第反常色散原子滤光器结构示意图。

1-第一起偏器件；2-第一永磁体；3-磁屏蔽外壳；4-射频耦合线圈；5-无极灯；6-第二永磁体；7-镀膜滤光片；8-第一起偏器件；9-加热元件；10-电路盒；11-电线。

图3是铷原子的两种同位素⁸⁵Rb和⁸⁷Rb基态5S和激发态5P3/2，5D5/2的能级图；

图4是以实施例1的法拉第反常色散原子滤光器，工作原子为铷原子进行光信号过滤后获得的滤光效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的一种实施结构图如图1所示，第一永磁铁2和第二永磁铁6极性相对放置，在轴向形成一个平行的磁场，永磁体2和6为环形，中间能透光。第一永磁铁2和第二永磁铁6也可以不采用图1的放置方式，而放置于图1中无极灯5的上下方，极性相对，从而形成与轴向垂直的磁场。磁场的不同大小和方向可通过调整第一永磁铁2和第二永磁铁6的位置来获得。第一永磁铁2和第二永磁铁6之间为无极灯5，无极灯5为一圆柱形玻璃泡，玻璃泡中充有工作原子物质和缓冲气体，缓冲气体基本是惰性气体，如氩，氪、氙，工作原子为铷原子，也适用于锂、钠、钾、铯、氦、氖等具有激发态谱线的原子；无极灯5外绕有射频耦合线圈4，射频耦合线圈4与无极灯5不接触，防止线圈带来额外的加热效应，电路盒10通过电线11与射频耦合线圈4电连接为射频耦合线圈4供电。无极灯5上固定有加热元件9，可以是加热片，还固定有控温装置(图中未显示)对加热温度进行控制，加热元件9和控温装置通过电线11与电路盒10电连接，电路盒10为其供电。

上述结构皆置于一磁屏蔽外壳3内，磁屏外壳3两侧壁上各有一套筒(图中未显示)，套筒中各有一起偏器件，为第一起偏器件1和第二起偏器件8，第一起偏器件1和第二起偏器件8的起偏方向需使非共振的光的消光比达到最优状态，即对没有旋光效应的光起到最大消光作用。在第二起偏器件8的前方还放置有一普通镀膜滤光片7，让信号光通过，目的是为了最大程度的阻挡灯光输出。第一起偏器件1和第二起偏器件8为格兰棱镜。

实施例1的滤光器可以采用两种方法进行信号光过滤。

第一种是使无极灯5中的工作原子处于基态，只需对无极灯5加热即可，其具体方法如下：

1)根据无极灯5中的工作原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小，调整滤光器第一永磁铁2和第二永磁铁6的位置，使静磁场的大小和方向最合适；

2)电路盒10为加热元件9供电使无极灯5加热到设定温度，控温装置对温度进行控制；

3)需过滤的信号光从第一起偏器件1入射后穿过无极灯5中的基态工作原子发生偏振面的旋转后经过镀膜滤光片7滤掉灯光，透过第二起偏器件8，获得需要频率的信号光。

第二种是使无极灯5中的工作原子处于激发态，即

1)根据无极灯5中的工作原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小，调整滤光器第一永磁铁2和第二永磁铁6的位置，使静磁场的大小最合适；

2)电路盒10为加热元件9供电使无极灯5加热到设定温度，控温装置对温度进行控制；

3)电路盒10为射频耦合线圈4供电，为无极灯5提供60MHz至200MHz的射频功率，无极灯5被点亮，无极灯5中的工作原子处于激发态；

4)需过滤的信号光从第一起偏器件1入射后穿过无极灯5中的激发态工作原子发生偏振面的旋转后经过镀膜滤光片7滤掉灯光，透过第二起偏器件8，获得需要频率的信号光。

根据所使用的原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小，设计第一永磁铁2和第二永磁铁6位置，形成最佳的中心磁场。

设计最佳的工作温度，比如对于一个已经实现了的工作在铷原子5P3/2-5D5/2，775.9nm跃迁的滤光器实例来说，250℃是比较理想的。可以以此选择相应的陶瓷加热片，其最大加热温度就是最佳的工作温度，这样做的好处就是可以简化控温电路，只要预设时间达到，温度就可以满足需求。根据滤光器的工作波长选择合适的格兰棱镜1和8，以及滤光片7。对于不同的应用情况设计好之后，就可以将系统组装起来。然后调节格兰棱镜1，使得其起偏方向和入射激光的偏振方向基本相当，让信号光最大限度的进入系统，在光通信中一旦信道建立，激光的偏振状态也就确定了。在灯没有点亮的时候，调节格兰棱镜8的角度，使得消光比最大，这样可以把灯泡玻璃壁引起的旋光效应也消除一部分。

如果要工作在原子基态，只要预热无极灯到最佳温度，即可工作。如果要工作在原子激发态，首先将无极灯5预热，打开电路盒10，让灯发光，其发光效果和射频功率以及温度有关系，保持其发光颜色在空间上均匀分布，并且明亮，对于上面提到的已经实现了的铷775.9nm滤光器，需要保持铷灯发光模式处于红模式，发光颜色为均匀鲜亮的紫红色，因为这时候5P3/2激发态上的原子最多，有利于滤光器的透射率。这时候滤光器就准备就绪了，可以接收激光。

激光可以沿着滤光器的轴向入射，也可以有一定的入射角，大约45°以内。在格兰棱镜8之后放置光信号检测设备，得到的信号将是边带抑制比非常好的信号光，而且线宽窄，基本取决于多普勒增宽，非常有利于对信号光的提取。

图3显示了铷原子的两种同位素⁸⁵Rb和⁸⁷Rb基态5S和激发态5P3/2，5D5/2的能级图，图4(a)为⁸⁵Rb的能级图；图4(b)是⁸⁷Rb的能级图。

图4是实施例1对应的新型无极放电铷灯法拉第反常色散滤光器的滤光效果。其横坐标是探测光波长，纵坐标是透射光的百分比。结果说明本发明的新型无极铷灯法拉第反常色散滤光器可以用于铷原子的激发态5P3/2-5D5/2之间的775.9nm跃迁。

实施例2

本发明的另外一种实施结构如附图2所示。其结构与实施例1接近，但是较实施例1来说省去了静磁铁。其结构简述如下。

无极灯5设置在磁屏蔽盒3内部，射频耦合线圈4绕在无极灯5外，同样不要和无极放电灯5碰触，加热元件9对无极灯5加热，控温装置对加热温度进行控制，加热元件9可以为加热圈。电路盒10通过电线11为加热元件9供电，同时电路盒10通过电线11为射频耦合线圈4供电，电路盒10打开后给无极灯5供给60至200MHz的射频功率，同时为射频耦合线圈4提供直流电流，产生轴向静磁场。同时和实施例1一致，磁屏蔽盒3在轴向的两端侧壁上各有一个套筒，套筒中分别放置一个格兰棱镜1和8，1和8的起偏方向需要调节，以致系统对非共振的光的消光比达到最优状态。在8的前面放置普通镀膜滤光片7，遮挡灯光。

实施例2的工作流程和实施例1类似，简述如下。

根据所使用的原子以及其工作能态确定最佳的磁场大小和方向，设计射频耦合线圈4的直流电流来调整静磁场的大小。当静磁场的方向与光矢量方向平行时为法拉第(Faraday)滤光器，当静磁场的方向与光矢量方向垂直时为佛格脱(Voigt)滤光器。

调整加热元件9和控温装置，使无极灯5加热到最佳温度。选择合适的格兰棱镜1和8以及滤光片7，组合滤光器系统。

在无极灯5熄灭的状态下调节格兰棱镜1和8的起偏方向达到最佳消光比。根据滤光器要工作在原子基态还是激发态决定是否供给射频功率。工作在激发态的时候，灯的发光状态的控制与实施例1类似。信号光入射方向也与实施例1类似。

本发明的优点是，采用无极放电灯作为滤光工作介质，关灯的情况下可以达到基态FADOF的效果，开灯的情况下可以达到激发态FADOF的效果，而其结构和普通的基态FADOF类似，可以做的很小，体积小于0.2升，省去泵浦激光，大大减少系统的成本。

具体地，本发明实施例中的一种新型无极放电铷灯法拉第反常色散滤光器，与已有的所有其他激发态法拉第反常色散滤光器本质的区别是，仅用无极灯来取代传统拉第反常色散滤光器的气体泡就可以去掉复杂昂贵的需要稳频的泵浦激光。另外，本发明并不限于实施例中的铷原子，也适用于锂、钠、钾、铯、氦、氖等对应的所有可能激发态谱线。例如，用铷原子无极灯可以实现激发态5P-4D之间的1529nm跃迁的原子滤光器，5P1/2-10S1/2之间的532.24nm跃迁和5P3/2-11S1/2之间的523.39nm跃迁线的滤光器。

实施例3

实施例3的结构与实施例1一致，不同在于无极灯5可以为两个或两个以上，两个或两个以上的无极灯通过级联方式组合。其使用方法与实施例1相同，调整不同的温度和磁场条件下即可获得良好的滤光效果。

实施例4

实施例4的结构与实施例2一致，不同在于无极灯5可以为两个或两个以上，两个或两个以上的无极灯通过级联方式组合。其使用方法与实施例2相同，调整不同的温度和磁场条件下即可获得良好的滤光效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种原子激发态反常色散原子滤光器，其特征在于，包括第一起偏器件、第二起偏器件、加热元件和至少一个无极灯，无极灯位于第一起偏器件和第二起偏器件的中间，第一起偏器件和第二起偏器件的起偏方向达到对没有旋光效应的光的最大消光作用，无极灯中形成一静磁场，无极灯靠近起偏器件的两端可透光，加热元件固定在无极灯上，用于加热无极灯。

2.根据权利要求1所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，所述无极灯为一玻璃泡，玻璃泡中充有工作原子物质和缓冲气体，玻璃泡外绕有射频耦合线圈，所述射频耦合线圈与玻璃泡不接触。

3.根据权利要求1所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，采用将无极灯置于两磁铁中间的方式在无极灯中形成一静磁场。

4.根据权利要求1所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，采用给无极灯的射频耦合线圈提供直流电流的方法在无极灯中形成一静磁场。

5.根据权利要求1或2所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，所述滤光器还包括一控温装置，与加热元件电连接控制加热温度。

6.根据权利要求1或2所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，所述滤光器还包括一滤光片，位于第二起偏器件和无极灯之间。

7.根据权利要求1所述的反常色散原子滤光器，其特征在于，所述提供给无极灯的射频功率为60MHz至200MHz。

8.一种采用权利要求1所述的过滤器过滤信号光的方法，包括如下步骤：

1)根据无极灯的工作原子的工作能态调整滤光器中静磁场的大小和方向；

2)加热元件将无极灯加热到设定温度；

3)需过滤的信号光从第一起偏器件入射后穿过无极灯中发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。

9.一种采用权利要求1所述的过滤器过滤信号光的方法，包括如下步骤：

1)根据无极灯的工作原子的工作能态调整滤光器中静磁场的大小和方向；

2)加热元件将无极灯加热到设定温度；

3)无极灯上射频耦合线圈为无极灯提供60MHz至200MHz的射频功率，使无极灯中的工作原子处于激发态；

4)需过滤的信号光从第一起偏器件入射后穿过无极灯中发生偏振面的旋转后透过第二起偏器件，获得过滤后的信号光。

10.根据权利要求8或9所述的过滤光信号的方法，其特征在于，所述信号光入射的角度为以滤光器轴向方向为中心，偏斜45°以内。

11.根据权利要求8或9所述的过滤光信号的方法，其特征在于，通过调整无极灯两边的磁铁位置或调整无极灯上射频耦合线圈的直流电流来调整所述静磁场的大小和方向。

Images