CN102522687A - 一种单透射峰原子滤光器及滤光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单透射峰原子滤光器，以及应用该滤光器进行滤光的方法。该原子滤光器包括：一充有惰性气体的碱金属原子泡、两个偏振片、一磁场源以及一温度控制系统。在应用该原子滤光器进行滤光时，首先调节所述两个偏振片的偏振方向至互相垂直，对入射光进行选光；然后利用温度控制系统对所述碱金属原子泡进行温度控制；再利用碱金属原子在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光进行旋光，获得单透射峰光谱。本发明利用了惰性气体和碱金属气体混杂后实现的法拉第反常色散效应，设计原理明晰，结构简单，工作稳定，滤光性能高。
Description
技术领域
本发明属于原子滤光技术和激光技术领域，涉及一种原子滤光器，尤其涉及一种单透射峰原子滤光器以及使用该滤光器进行滤光的方法。
背景技术
原子滤光器由于其窄线宽、特定选频、体积小、结构紧凑、可长期稳定等优点，在大气激光通信、空间通信、激光光谱、激光技术、量子信息、计量、生物、医学、基础实验等方面有着广泛应用。目前国际上利用碱金属铯、铷、钾等原子基态做出的原子滤光器多是利用没有缓冲气体填充的纯元素泡，得到的透射谱都是多峰的。为了得到单透射峰的原子滤光器，其器件结构都比较复杂，如利用多个工作于不同温度和不同磁场的原子滤光器系统级联而成，或者在原子滤光器后另加一个带高磁场的高温吸收室来实现单透射峰。此外，有的原子滤光器利用原子激发态间跃迁，虽然可以得到单透射峰，但需要一个或几个泵浦激光器等设备支持，成本很高；其泵浦激光稳频系统也不容易做到长期稳定，而且设备较大，不方便携带和移动。综合来看，在现有技术中，小体积原子滤光器等效噪声太宽，而等效噪声窄的原子滤光器设备体积较大成本高，不能很好地满足一些较高要求或特定要求的应用需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种利用充满惰性气体的碱金属原子泡实现的单透射峰原子滤光器，以及应用该滤光器进行滤光的方法，可长期稳定地工作。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单透射峰原子滤光器，其包括：
一碱金属原子泡，其内充有惰性气体；
两个偏振片，分别位于所述碱金属原子泡两侧且正对所述碱金属原子泡；所述两个偏振片的偏振方向互相垂直；
一磁场源，用于对所述碱金属原子泡产生一均匀磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行或垂直于光传播方向；以及
一温度控制系统，用于控制所述碱金属原子泡的温度。
进一步地，所述磁场源是永磁体或螺旋线圈；所述原子泡的材质为玻璃或石英；所述偏振片的材质为玻璃或石英；所述温度控制系统采用加热丝或加热芯片加热，采用热敏电阻或热电偶测温。
进一步地，所述单透射峰原子滤光器还包括一外壳，用于固定上述各元件并屏蔽外界电磁干扰。
一种应用上述单透射峰原子滤光器进行滤光的方法，其步骤包括：
1)利用一充有惰性气体的碱金属原子泡、两个偏振片、一磁场源和一温度控制系统组建上述原子滤光器；
2)调节所述两个偏振片的偏振方向至互相垂直，对入射光进行选光；
3)利用温度控制系统对所述碱金属原子泡进行温度控制；
4)利用碱金属原子在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光进行旋光，获得单透射峰光谱。
本发明利用了惰性气体和碱金属气体混杂后实现的法拉第反常色散效应。通过螺旋线圈或永磁体等磁场源产生均匀磁场，作为充有惰性气体的碱金属原子蒸气周围的磁场环境，使激光与原子相互作用时，改变激光偏振方向，产生旋光效应。利用两块偏振片限定激光透射偏振方向，选出特定频率光波，达到频率上选光目的。通过一个温度控制系统对工作时碱金属原子蒸汽温度进行控制，使系统一直处于良好的工作状态。加上系统外壳的设计，可以屏蔽掉外界电磁干扰，保证透过光为所需信号，信噪比较高。本发明的单透射峰滤光器，设计原理明晰，结构简单，易于制造，滤光性能高，工作稳定，寿命长；所获得的窄线宽单透射峰光谱，对激光稳频、生物医学检测等领域具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的单透射峰光谱的原子滤光器的结构示意图；
图2为应用本发明实施例的单透射峰原子滤光器进行滤光的流程图；其中：1.偏振片；2.永磁体；3.铷原子泡；4.永磁体；5.偏振片；6.温度控制系统。
图3为本发明实施例的单透射峰原子滤光器的实施效果示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明做进一步的说明。
图1为本发明一实施例的单透射峰原子滤光器的结构示意图。该原子滤光器包括：偏振片1、永磁体2、充有惰性气体(氩气、氙气等)的铷原子泡3、永磁体4、偏振片5以及温度控制系统6。偏振片1与偏振片5是具有起偏和检偏功能的器件，分别放置于铷原子泡3的两侧，两个偏振片平行，其所在平面与光传播方向垂直；两个偏振片的偏振方向互相垂直，以使在没有激光与原子相互作用时，没有光能从偏振片5出射。永磁体2与永磁体4均为环状，激光可从环中间穿过；该两个永磁体的环形所在平面互相平行，处于相同高度，中心都在光传播路径上，这样能近似认为永磁体2与永磁体4之间的磁场是均匀强度，且磁场方向沿光传播方向的，或者垂直于光传播方向。铷原子泡3置于永磁体2与永磁体4之间。温度控制系统6包括加热部分和测温部分，用于稳定系统工作时碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对铷原子泡3的两端进行加热，多余热量通过铷原子泡3的中间部分散开，保证没有原子凝结到铷原子泡3的玻璃壁上；测温部分紧贴铷原子泡进行温度测量。
在上述实施例中，通过永磁体2与永磁体4产生均匀磁场，其磁场强度优选为40至1000高斯。在其它实施例中，也可通过螺旋线圈等方式产生均匀磁场。
在上述实施例中，偏振片材质可为玻璃或石英；原子泡的材质可为玻璃或石英；温度控制系统可用加热丝或加热芯片方式加热，用热敏电阻或热电偶测温。在应用上述滤光器进行滤光时，原子泡的温度优选控制在30至120摄氏度。
在上述实施例中，铷原子泡3内惰性气体的气压优选为0.1乇到50乇。但在其它实施例中，根据碱金属的种类(铷、铯、钾等)和原子滤光器的透射光谱要求的不同，碱金属原子泡内可充有不同气压的惰性气体，还可以充有不同配比成分的混合惰性气体。
图2为应用上述单透射峰原子滤光器进行滤光的方法的流程图，包括如下步骤：
步骤101：利用一充有惰性气体的铷原子泡、两个偏振片、两个永磁体和一温度控制系统组建上述实施例的单透射峰原子滤光器；
步骤102：调节所述两个偏振片的偏振方向至互相垂直，利用该两个偏振片对入射光进行选光；
步骤103：利用温度控制系统的加热部分和测温部分对碱金属原子泡进行温度控制，将温度控制在30至120摄氏度
步骤104：利用铷原子在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光进行旋光，获得单透射峰光谱。
上述实施例的单透射峰原子滤光器，还可包括一外壳，用于固定和保护各个元件，并通过严格的尺寸、公差设计使各元件处于准确的相互位置；该外壳还能够屏蔽外界电磁干扰。
上述实施例的单透射峰原子滤光器，通过利用充有氩气或其他惰性气体的铷原子泡，改变了原子与激光相互作用特性，获得单透射峰光谱；利用温度控制系统，对充了惰性气体的碱金属原子泡进行恒温控制，提高了系统稳定性；加上外壳的设计，可以屏蔽掉外界电磁干扰，保证透过光为所需信号，信噪比较高。图3为上述实施例中单透射峰原子滤光器的实施效果示意图，其中横坐标是对应的测量激光频率，左侧纵坐标是光透射百分比，右侧纵坐标是作为参考的铷原子谱的吸收值；下方的曲线是原子滤光器的单透射峰光谱，上方的曲线是作为参考的铷原子的多普勒吸收谱。
上述实施例仅是为了说明本发明的原理，而非用于限制本发明的范围。本领域的技术人员可在不违背本发明的技术原理及精神下，对实施例作修改与变化。本发明的保护范围应如权利要求所述。
Claims (10)
1.一种单透射峰原子滤光器，其特征在于，包括：
一碱金属原子泡，其内充有惰性气体；
两个偏振片，分别位于所述碱金属原子泡两侧且正对所述碱金属原子泡；所述两个偏振片的偏振方向互相垂直；
一磁场源，用于对所述碱金属原子泡产生一均匀磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行或垂直于光传播方向；以及
一温度控制系统，用于控制所述碱金属原子泡的温度。
2.如权利要求1所述的原子滤光器，其特征在于，所述原子泡的材质为玻璃或石英，所述偏振片的材质为玻璃或石英；所述偏振片是具有起偏和检偏功能的器件。
3.如权利要求1所述的原子滤光器，其特征在于，所述磁场源是永磁体或螺旋线圈。
4.如权利要求1所述的原子滤光器，其特征在于，所述碱金属是铷，所述惰性气体的气压为0.1乇至50乇。
5.如权利要求1所述的原子滤光器，其特征在于，还包括一外壳，用于固定上述各元件并屏蔽外界电磁干扰。
6.如权利要求1所述的原子滤光器，其特征在于，所述磁场源产生的均匀磁场的强度为40高斯至1000高斯。
7.一种应用如权利要求1所述的原子滤光器进行滤光的方法，其步骤包括：
1)利用一充有惰性气体的碱金属原子泡、两个偏振片、一磁场源和一温度控制系统组建原子滤光器；
2)调节所述两个偏振片的偏振方向至互相垂直，对入射光进行选光；
3)利用温度控制系统对碱金属原子泡进行温度控制；
4)利用碱金属原子在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光进行旋光，获得单透射峰光谱。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述温度控制系统采用加热丝或加热芯片加热，采用热敏电阻或热电偶测温。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述原子泡的温度控制在30至120摄氏度。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，根据碱金属的种类和原子滤光器的透射光谱要求，所述碱金属原子泡内充有不同气压和配比成分的所述惰性气体。
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