CN102664346A

CN102664346A - 薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置

Info

Publication number: CN102664346A
Application number: CN2012101348376A
Authority: CN
Inventors: 张一驰; 武寄洲; 马杰; 李玉清; 金丽; 陈鹏; 汪丽蓉; 赵延霆; 肖连团; 贾锁堂
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102664346B

Abstract

本发明涉及激光稳频技术，具体是一种薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置。本发明解决了现有激光稳频技术受多普勒增宽影响其激光频率稳定度提高受到限制的问题。薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置包括半导体激光器、偏振分束棱镜、吸光片、光电探测器、白玻璃片、锁相放大器、单光子探测器、示波器；半导体激光器的出射端与偏振分束棱镜的入射端之间设有由激光隔离器和半波片依次串接而成的光路；偏振分束棱镜的反射出射端与白玻璃片的入射端之间设有第二全反射镜。本发明适用于研究高分辨率分子和原子光谱、激光干涉测量、冷却和俘获原子、光纤通信、频率选择光学资料存储等领域。

Description

薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置

技术领域

本发明涉及激光稳频技术，具体是一种薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置。

背景技术

激光作为现代科学技术的重要标志，已经在文化娱乐、工业应用和科学研究等诸多领域得到广泛的应用。频率稳定是激光的重要特性之一，这就使得激光的稳频技术更加得到重视。激光频率的稳定对研究高分辨率分子和原子光谱、激光干涉测量、冷却和俘获原子、光纤通信、频率选择光学资料存储具有重要意义。激光稳频技术是激光物理学、光谱学和电子学高度结合的产物，其随着激光应用的发展而发展。激光稳频技术既是尖端科学的关键组成部分，也是基础科学研究的重要工具，其在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。

在激光稳频技术的发展初期，由于只是关注参数稳定、工作状态和周围环境的调控，激光频率稳定度只能达到10^-8数量级，收效甚微。上世纪六十年代中期，日本的霜田光一等人提出用甲烷吸收线来稳定激光频率后, 激光频率稳定度激增, 很快达到10^-11数量级。而后，激光稳频技术又进入了一个新阶段，即利用原子、分子的跃迁谱线来锁定激光频率，从而实现激光频率稳定，目前国内外通常采用的正是此种技术。此种技术通过解调原子饱和吸收光谱得到薄池鉴频信号来锁定激光频率，得到了很好的稳频效果。但是光谱线的增宽效应掩盖了光谱结构的细节，成为限制激光频率稳定度提高的主要因素。光谱线增宽的来源有三个因素：谱线的自然宽度、压致（碰撞）增宽、多普勒增宽。其中，当压力小于1333Pa（10mmHg）时，压致增宽并不严重，与自然宽度有相同数量级。而多普勒增宽通常比自然宽度大两个数量级，是实际谱线宽度的主要成分。因此，若能消除多普勒增宽，即可消除光谱线增宽，从而提高激光频率稳定度。基于此，为了解决现有激光稳频技术受多普勒增宽影响其激光频率稳定度提高受到限制的问题，发明一种全新的多普勒增宽消除技术成为了必然。

发明内容

本发明为了解决现有激光稳频技术受多普勒增宽影响其激光频率稳定度提高受到限制的问题，提供了一种薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置，包括半导体激光器、偏振分束棱镜、吸光片、光电探测器、白玻璃片、锁相放大器、单光子探测器、示波器；半导体激光器的出射端与偏振分束棱镜的入射端之间设有由激光隔离器和半波片依次串接而成的光路；偏振分束棱镜的反射出射端与白玻璃片的入射端之间设有第二全反射镜；白玻璃片的反射出射端与光电探测器之间设有由第一全反射镜、铯原子蒸汽泡、半透射半反射镜依次串接而成的光路；半透射半反射镜设于白玻璃片的透射出射端与吸光片之间；偏振分束棱镜的透射出射端与单光子探测器之间设有由第三全反射镜、第四全反射镜、光强衰减片、第一凸透镜、第二凸透镜、铯原子蒸汽薄池、第三凸透镜依次串接而成的光路；光电探测器与示波器之间连接有第一BNC线；锁相放大器与半导体激光器之间连接有第二BNC线；锁相放大器与示波器之间连接有第三BNC线；单光子探测器与锁相放大器之间连接有第四BNC线。

工作时，半导体激光器输出的高稳定性单模激光依次透过激光隔离器、半波片后入射到偏振分束棱镜，然后由偏振分束棱镜分出弱的透射激光用于薄池单光子吸收光谱和强的反射激光用于饱和吸收光谱（饱和吸收光谱用来和薄池单光子吸收光谱进行对比）。其中，偏振分束棱镜分出的反射激光被第二全反射镜反射后入射到白玻璃片。入射到白玻璃片的98%的激光透过白玻璃片后入射到半透射半反射镜。入射到半透射半反射镜的激光一部分透过半透射半反射镜后由吸光片吸收，另一部分则由半透射半反射镜反射后入射到铯原子蒸汽泡。入射到白玻璃片的2%的激光由白玻璃片反射后，再由第一全反射镜反射后入射到铯原子蒸汽泡，然后透过半透射半反射镜后射入光电探测器。此时通过调节白玻璃片、第二全反射镜和半透射半反射镜使得相向传播的两束激光（即相向入射到铯原子蒸汽泡的两束激光）的光路重合，即可获得饱和吸收光谱信号。所获得的饱和吸收光谱信号被光电探测器探测到后通过第一BNC线输入到示波器进行监测，并作为薄池单光子吸收光谱信号的参考。偏振分束棱镜分出的透射激光依次被第三全反射镜、第四全反射镜反射，然后经过光强衰减片减弱光强，随后由第一凸透镜和第二凸透镜扩束，扩束后的激光与铯原子蒸汽薄池中的铯原子蒸汽薄膜相互作用，由此获得薄池单光子吸收光谱信号。薄池单光子吸收光谱信号经过第三凸透镜汇聚后被单光子探测器探测到，然后通过第四BNC线输入到锁相放大器解调得到薄池鉴频信号。薄池鉴频信号一部分通过第三BNC线输入到示波器上进行观测并与饱和吸收光谱信号对比，另一部分通过第二BNC线输入到半导体激光器的频率调制口，用于锁定半导体激光器输出激光的频率。图2所示即为饱和吸收光谱信号、薄池单光子吸收光谱信号、薄池鉴频信号的波形对照图。在上述过程中，当激光与铯原子蒸汽薄池中的铯原子蒸汽薄膜相互作用时，由于铯原子在两壁之间的飞行时间短于铯原子的超精细能级的光学泵浦时间，形成了选择慢原子激发的物理机制，从而在激光正入射的一维方向上消除了多普勒效应（即消除了多普勒增宽），提高了激光频率的稳定度。采用单光子探测器探测薄池单光子吸收光谱信号则消除了因激光太强引起的谱线展宽。基于此，与现有激光稳频技术相比，本发明所述的薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置即有效解决了现有激光稳频技术受多普勒增宽影响其激光频率稳定度提高受到限制的问题。实验表明，采用本发明所述的薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置可将半导体激光器输出激光的频率锁定在500KHz以内，锁定时间超过300分钟，锁定激光频率的稳定度可达7×10^-11数量级。图3所示即为锁定激光频率前后薄池鉴频信号的波形变化图。

进一步地，还包括腔体；半导体激光器、激光隔离器、半波片、偏振分束棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、铯原子蒸汽泡、半透射半反射镜、吸光片、第一BNC线、光电探测器、白玻璃片、第三全反射镜、第四全反射镜、光强衰减片、第一凸透镜、第二凸透镜、铯原子蒸汽薄池、第三凸透镜、锁相放大器、第二BNC线、第三BNC线、第四BNC线、单光子探测器、示波器均设于腔体内。工作时，腔体起到保护作用。

本发明有效解决了现有激光稳频技术受多普勒增宽影响其激光频率稳定度提高受到限制的问题，适用于研究高分辨率分子和原子光谱、激光干涉测量、冷却和俘获原子、光纤通信、频率选择光学资料存储等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的饱和吸收光谱信号、薄池单光子吸收光谱信号、薄池鉴频信号的波形对照图。

图3是本发明的锁定激光频率前后薄池鉴频信号的波形变化图。

图中：1-半导体激光器，2-激光隔离器，3-半波片，4-偏振分束棱镜，5-第一全反射镜，6-第二全反射镜，7-铯原子蒸汽泡，8-半透射半反射镜，9-吸光片，10-第一BNC线，11-光电探测器，12-白玻璃片，13-第三全反射镜，14-第四全反射镜，15-光强衰减片，16-第一凸透镜，17-第二凸透镜，18-铯原子蒸汽薄池，19-第三凸透镜，20-锁相放大器，21-第二BNC线，22-第三BNC线，23-第四BNC线，24-单光子探测器，25-示波器，26-腔体。

具体实施方式

薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置，包括半导体激光器1、偏振分束棱镜4、吸光片9、光电探测器11、白玻璃片12、锁相放大器20、单光子探测器24、示波器25；半导体激光器1的出射端与偏振分束棱镜4的入射端之间设有由激光隔离器2和半波片3依次串接而成的光路；偏振分束棱镜4的反射出射端与白玻璃片12的入射端之间设有第二全反射镜6；白玻璃片12的反射出射端与光电探测器11之间设有由第一全反射镜5、铯原子蒸汽泡7、半透射半反射镜8依次串接而成的光路；半透射半反射镜8设于白玻璃片12的透射出射端与吸光片9之间；偏振分束棱镜4的透射出射端与单光子探测器24之间设有由第三全反射镜13、第四全反射镜14、光强衰减片15、第一凸透镜16、第二凸透镜17、铯原子蒸汽薄池18、第三凸透镜19依次串接而成的光路；光电探测器11与示波器25之间连接有第一BNC线10；锁相放大器20与半导体激光器1之间连接有第二BNC线21；锁相放大器20与示波器25之间连接有第三BNC线22；单光子探测器24与锁相放大器20之间连接有第四BNC线23；

还包括腔体26；半导体激光器1、激光隔离器2、半波片3、偏振分束棱镜4、第一全反射镜5、第二全反射镜6、铯原子蒸汽泡7、半透射半反射镜8、吸光片9、第一BNC线10、光电探测器11、白玻璃片12、第三全反射镜13、第四全反射镜14、光强衰减片15、第一凸透镜16、第二凸透镜17、铯原子蒸汽薄池18、第三凸透镜19、锁相放大器20、第二BNC线21、第三BNC线22、第四BNC线23、单光子探测器24、示波器25均设于腔体26内。

具体实施时，所述半导体激光器1为TOPTICA 公司生产的TA100型半导体激光器。所述第一全反射镜5、第二全反射镜6、第三全反射镜13、第四全反射镜14均为镀850nm高反膜的全反射镜。所述第一凸透镜16、第二凸透镜17、第三凸透镜19均为镀850nm增透膜的凸透镜。所述锁相放大器20为Stanford SR830型锁相放大器。所述铯原子蒸汽泡7为长度4cm的玻璃蒸汽泡。所述铯原子蒸汽薄池18为长度150μm的石英蒸汽泡。所述光电探测器11为 APD S3884型光电探测器。所述单光子探测器24为SPCM-AQRH-15型单光子探测器。

Claims

1.一种薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置，其特征在于：包括半导体激光器（1）、偏振分束棱镜（4）、吸光片（9）、光电探测器（11）、白玻璃片（12）、锁相放大器（20）、单光子探测器（24）、示波器（25）；半导体激光器（1）的出射端与偏振分束棱镜（4）的入射端之间设有由激光隔离器（2）和半波片（3）依次串接而成的光路；偏振分束棱镜（4）的反射出射端与白玻璃片（12）的入射端之间设有第二全反射镜（6）；白玻璃片（12）的反射出射端与光电探测器（11）之间设有由第一全反射镜（5）、铯原子蒸汽泡（7）、半透射半反射镜（8）依次串接而成的光路；半透射半反射镜（8）设于白玻璃片（12）的透射出射端与吸光片（9）之间；偏振分束棱镜（4）的透射出射端与单光子探测器（24）之间设有由第三全反射镜（13）、第四全反射镜（14）、光强衰减片（15）、第一凸透镜（16）、第二凸透镜（17）、铯原子蒸汽薄池（18）、第三凸透镜（19）依次串接而成的光路；光电探测器（11）与示波器（25）之间连接有第一BNC线（10）；锁相放大器（20）与半导体激光器（1）之间连接有第二BNC线（21）；锁相放大器（20）与示波器（25）之间连接有第三BNC线（22）；单光子探测器（24）与锁相放大器（20）之间连接有第四BNC线（23）。

2.根据权利要求1所述的薄池无多普勒展宽吸收光谱稳频装置，其特征在于：还包括腔体（26）；半导体激光器（1）、激光隔离器（2）、半波片（3）、偏振分束棱镜（4）、第一全反射镜（5）、第二全反射镜（6）、铯原子蒸汽泡（7）、半透射半反射镜（8）、吸光片（9）、第一BNC线（10）、光电探测器（11）、白玻璃片（12）、第三全反射镜（13）、第四全反射镜（14）、光强衰减片（15）、第一凸透镜（16）、第二凸透镜（17）、铯原子蒸汽薄池（18）、第三凸透镜（19）、锁相放大器（20）、第二BNC线（21）、第三BNC线（22）、第四BNC线（23）、单光子探测器（24）、示波器（25）均设于腔体（26）内。