CN102769250B - 一种原子冷却囚禁光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷却囚禁光源装置，属于激光器技术领域。所述装置包括：光源主体，所述光源主体包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅和反射镜，所述装置还包括：用于调整所述光源主体的输出信号频率的压电晶体驱动器、用于供光源主体输出的激光通过的无源腔、用于检测透过无源腔的激光的强度并产生第一光检信号的第一光电检测单元、用于检测所述光源主体输出的激光的强度并产生第二光检信号的第二光电检测单元、用于根据所述第一光电检测单元输出的第一光检信号和所述第二光电检测单元输出的第二光检信号输出第一压控信号到所述压电晶体驱动器的伺服单元。本发明的冷却囚禁光源装置的输出信号频率稳定度高，可以满足高精度设备的要求。

Description

一种原子冷却囚禁光源装置

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种原子冷却囚禁光源装置。

背景技术

磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段，在冷原子物理实验、量子光学和量子信息等领域应用十分广泛。为了保证磁光阱中的原子以任意一个初始速度方向运行时都能被减速（冷却），通常磁光阱中会采用在三维空间两两相对的原子冷却囚禁光源。

现有的原子冷却囚禁光源通常采用Littrow结构的激光器，该激光器通常包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅和反射镜。半导体激光管发出的激光经准直透镜准直后，入射在衍射光栅上，衍射光栅的一级衍射光与入射光共线反向沿原路返回到半导体激光管中，衍射光栅的零级衍射或镜反射光作为输出光输出。在该结构的激光器中，激光波长或频率的调谐是通过转动衍射光栅，改变衍射光栅对光线的入射和衍射角实现的。在转动光栅的过程中，作为输出光的光栅镜反射光的方向也将随之改变。为了消除输出光束的方向变化，人们采用了附加的与衍射光栅平行的反射镜。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有的原子冷却囚禁光源容易受到外界环境的影响，从而引起其输出频率的变化，对于对频率稳定度要求很高的重力梯度仪等高精度设备而言，现有的冷却囚禁光源不能满足要求。

发明内容

为了解决现有技术中的激光器的输出频率稳定度不够，不能满足高精度设备需求的问题，本发明实施例提供了一种原子冷却囚禁光源装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种原子冷却囚禁光源装置，所述装置包括：光源主体，所述光源主体包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅和反射镜；所述装置还包括：用于调整所述光源主体的输出信号频率的压电晶体驱动器，用于供所述光源主体输出的激光通过的无源腔，用于检测透过所述无源腔的激光的强度并产生第一光检信号的第一光电检测单元，用于检测所述光源主体输出的激光的强度并产生第二光检信号的第二光电检测单元，用于根据所述第一光电检测单元输出的第一光检信号和所述第二光电检测单元输出的第二光检信号输出第一压控信号到所述压电晶体驱动器，将所述光源主体的输出信号频率锁定在所述无源腔的腔谐振频率曲线的斜率最大值处的伺服单元；

所述装置还包括：用于检测透过所述无源腔的激光的强度并产生第三光检信号的第三光电检测单元、用于产生同步参考信号和调制信号的调制信号发生器、用于采用所述同步参考信号对所述第三光电检测单元输出的第三光检信号进行相敏检波并输出第二压控信号至所述压电晶体驱动器的相检波单元；

所述装置还包括：分频器，用于将所述调制信号发生器输出的调制信号先进行三分频，再施加于所述压电晶体驱动器。

优选地，所述伺服单元包括：运算放大器，用于对所述第一光电检测单元输出的第一光检信号和所述第二光电检测单元输出的第二光检信号实施差分放大，并采用预设的斜率调节电平对差分放大结果进行补偿，以输出所述第一压控信号。

具体地，所述第一光电检测单元、所述第二光电检测单元和所述第三光电检测单元均为光电倍增管。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过对光源主体的输出信号频率与同一光源主体的输出信号经无源腔后获得的信号进行频率鉴频，获得相应的第一压控信号反馈至光源主体，使其输出频率发生变化，从而提高其输出频率的稳定度，满足高精度设备的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1提供的原子冷却囚禁光源装置的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提供了一种原子冷却囚禁光源装置，参见图1，该装置包括：光源主体1、无源腔2、第一光电检测单元3、第二光电检测单元4、伺服单元5。

其中，光源主体1采用Littrow结构的激光器，其包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅、反射镜和用于光源主体的输出信号频率的压电晶体驱动器1a。其具体结构为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。该压电晶体驱动器1a可以是安装反射镜的压电陶瓷片，由于它的电致伸缩特性，当在其被施加不同的电压时，会使腔长发生改变，从而引起光源输出频率的变化。

具体地，无源腔为一个金属螺旋腔体，用于对输入的激光信号进行选频输出。优选地，衍射光栅和反射镜可以安装在同一面板上，采用这种一体式设计，可以避免衍射光栅和反射镜分开安装时，机械不稳定性导致的光源的输出频率的不稳定性。

其中，伺服单元5分别与第一光电检测单元3、第二光电检测单元4和压电晶体驱动器1a电连接。光源主体2发出的激光透过无源腔2后，第一光电检测单元3检测该透过无源腔2的激光的强度并产生第一光检信号；第二光电检测单元4用于检测光源主体1输出的激光的强度并产生第二光检信号；伺服单元5用于根据第一光电检测单元3输出的第一光检信号和第二光电检测单元4输出的第二光检信号，输出第一压控信号到压电晶体驱动器1a，从而可以锁定光源主体2的输出信号频率，提高其短期稳定度。

优选地，在本实施例中，伺服单元5采用运算放大器，用于对第一光电检测单元3输出的第一光检信号和第二光电检测单元4输出的第二光检信号实施差分放大，并采用预设的斜率调节电平对差分放大结果进行补偿，以输出第一压控信号。针对某一光源主体，通过选择合适的斜率调节电平，可以将该光源主体输出的信号频率锁定在无源腔2的腔谐振频率曲线的斜率最大值（如图2中fk所示）处。也就是说，当光源主体1输出的信号频率f=fk时，伺服单元输出的第一压控信号的电压为0，而当光源主体1输出的信号频率f>fk（f<fk）时，第一压控信号的电压为一反向的负（正）值直流电平，最终使光源主体输出频率锁定在f=fk。由于该斜率最大值fk远离无源腔的中心频率，该处离中心频率较远，频率单一性好，所以将光源主体输出频率锁定在f=fk处，可以进一步提高光源主体的输出信号频率的稳定度。

具体地，该斜率调节电平的大小可以根据腔谐振频率曲线确定，通过开环模式下，扫描激光器输出频率，检测激光通过无源腔后的光强大小，在现有伺服电路的基础上，可以获得一个纠偏电平作用于压电晶体。现有伺服技术中，当激光频率对准无源腔中心频率时，经伺服电路后将获得0电平，不会引起压电晶体驱动器变化。本专利中引入的调节电平由一个A/D产生，当激光频率对准谱线斜率最大值点时，经传统伺服电路后将获得一个不为0的电平，本专利此时加入一个运算放大器工作于差分模式，用刚才A/D产生的直流电平与传统伺服电路产生的不为0电平进行补偿，从而最终使输出为0电平。显然当激光频率位于无源腔中心频率时，传统伺服电路输出为0，而本专利此时伺服电路输出并不为0。

容易知道，也可以将光源主体的输出频率锁定在无源腔的中心频率上，此为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。

优选地，本实施例的装置还包括：第三光电检测单元6、调制信号发生器7和相检波单元8。其中，调制信号发生器7分别与相检波单元8和压电晶体驱动器1a电连接；相检波单元8分别与第三光电检测单元6和压电晶体驱动器1a电连接。第三光电检测单元6用于检测透过无源腔2的激光的强度并产生第三光检信号；调制信号发生器7用于产生同步参考信号和调制信号；相检波单元8用于采用同步参考信号对第三光电检测单元输出的第三光检信号进行相敏检波，并输出第二压控信号至所述压电晶体驱动器1a，从而引起光源输出频率的变化，提高光源主体的输出信号频率的长期稳定度。

优选地，本实施例的装置还包括分频器9，该分频器9连接在调制信号发生器7和压电晶体驱动器1a之间，用于将调制信号发生器7输出的调制信号先进行三分频，再施加于压电晶体驱动器7。

具体地，第一光电检测单元3、第二光电检测单元4和第三光电检测单元6均可以采用光电倍增管。容易知道，在具体实现中，第一光电检测单元3和第三光电检测单元6可以采用同一部件。

本发明实施例通过对光源主体的输出信号频率与同一光源主体的输出信号经无源腔后获得的信号进行频率鉴频，获得相应的第一压控信号反馈至光源主体，使其输出频率发生变化，从而提高其输出频率的稳定度，满足高精度设备的要求。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种原子冷却囚禁光源装置，所述装置包括光源主体，所述光源主体包括半导体激光管、准直透镜、衍射光栅和反射镜，其特征在于，所述装置还包括：

用于调整所述光源主体的输出信号频率的压电晶体驱动器，用于供所述光源主体输出的激光通过的无源腔，用于检测透过所述无源腔的激光的强度并产生第一光检信号的第一光电检测单元，用于检测所述光源主体输出的激光的强度并产生第二光检信号的第二光电检测单元，用于根据所述第一光电检测单元输出的第一光检信号和所述第二光电检测单元输出的第二光检信号输出第一压控信号到所述压电晶体驱动器，将所述光源主体的输出信号频率锁定在所述无源腔的腔谐振频率曲线的斜率最大值处的伺服单元；

所述装置还包括：用于检测透过所述无源腔的激光的强度并产生第三光检信号的第三光电检测单元、用于产生同步参考信号和调制信号的调制信号发生器、用于采用所述同步参考信号对所述第三光电检测单元输出的第三光检信号进行相敏检波并输出第二压控信号至所述压电晶体驱动器的相检波单元；

所述装置还包括：分频器，用于将所述调制信号发生器输出的调制信号先进行三分频，再施加于所述压电晶体驱动器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述伺服单元包括：

运算放大器，用于对所述第一光电检测单元输出的第一光检信号和所述第二光电检测单元输出的第二光检信号实施差分放大，并采用预设的斜率调节电平对差分放大结果进行补偿，以输出所述第一压控信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一光电检测单元、所述第二光电检测单元和所述第三光电检测单元均为光电倍增管。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述衍射光栅和所述反射镜安装在同一面板上。