CN103293579B - 一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器及使用该滤光器进行滤光的方法。所述的超窄线宽原子滤光器由外腔激光器、格兰泰勒棱镜、场强度为8～13高斯低磁场永磁体、温度60～90℃的低温碱金属原子泡、光电探测器、温度控制系统与饱和吸收光谱仪等组成。本发明的超窄线宽原子滤光器，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，透射带宽只有25MHz；所获得的窄线宽光谱，对激光稳频、生物医学检测等领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于原子滤光技术和激光技术领域。更具体地，本发明涉及一种超窄线宽原子滤光器，还涉及使用该滤光器进行滤光的方法。
背景技术
法拉利反常色散原子滤光器具有高透过率、超窄线宽、高噪声抑制的优点，因此常用于对信噪比有苛刻要求的场合，例如大气激光通信、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。由于多普勒展宽，利用碱金属铯、铷、钾与钠或碱土金属钙等原子基态制成的原子滤光器带宽基本上都在GHz量级。而对于激光稳频，需要更窄的线宽，以期获得更高的频率稳定度。
为此，本发明人在总结现有技术的基础上，提出利用饱和吸收效应来压窄线宽，通过泵浦光的饱和吸收效应，使得探测光可以选择性地透过气泡，不被完全吸收，最终实现了一种低温低磁场基于饱和吸收效应的基态超窄线宽原子滤光器，得到的透射线宽只有25MHz。
发明内容
要解决的技术问题]
本发明的目的是提供一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
本发明的另一个目的是提供一种使用所述低温低磁场超窄线宽原子滤光器进行滤光的方法。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明涉及一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
所述的超窄线宽原子滤光器是由外腔激光器(1)、光学隔离器(2)、半透半反镜(3)、高透镜(4)、偏振分束器(5)、1/4波片(6)、高反镜(7、8、13、17)、格兰泰勒棱镜(9、14)、均匀磁场强度为8~13高斯低磁场永磁体(10、12)、温度60~90℃的低温碱金属原子泡(11)、光电探测器(15、19)、温度控制系统(16)与饱和吸收光谱仪(18)组成的；
所述的低磁场永磁体(10、12)分别置于所述碱金属原子泡(11)两端外侧，所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温；而所述的永磁体(10、12)外侧分别设置格兰泰勒棱镜(9、14)，格兰泰勒棱镜(9、14)相互平行，并且与光的传播方向垂直，两者偏振方向互相垂直，以便激光与其原子无相互作用时，激光不能从格兰泰勒棱镜(14)出射；
由外腔激光器(1)射出的激光，经过光学隔离器(2)到达半透半反镜(3)，一部分光经高反镜(17)通过饱和吸收光谱(18)到达光电探测器(19)用作参比谱线，另一部分光经高透镜(4)通过偏振分束器(5)分为泵浦光与探测光；
所述的泵浦光经1/4波片(6)、高反镜(7)和高反镜(13)入射到碱金属原子泡(11)中；
所述的探测光经高反镜(8)、格兰泰勒棱镜(9)与永磁体(10)入射到碱金属原子泡(11)中，然后再经永磁体(12)与格兰泰勒棱镜(14)到达光电探测器(15)。
根据本发明的一种优选实施方式，所述的低磁场永磁体(10、12)为环形，两个环形所处的平面相互平行，并处于同一高度。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述的永磁体(10、12)与光传播方向垂直并与格兰泰勒棱镜成一定夹角。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述的低温碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的碱金属铯、铷、钾与钠原子泡。
根据本发明的另一种优选实施方式，温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分，所述的加热部分对碱金属原子泡(11)两端加热，多余热量通过碱金属原子泡(11)中间部分散发除去。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述低磁场永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为8~13高斯。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述低温碱金属原子泡(11)的温度60~90℃。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述的加热部分是采用加热电阻丝或加热芯片方式加热的，所述的测温部分是采用热敏电阻或热电偶测温的。
本发明还涉及使用所述低温低磁场超窄线宽原子滤光器进行滤光的方法。
该方法步骤如下：
步骤A：调节格兰泰勒棱镜
将权利要求1-6中任一项权利要求所述低温低磁场超窄线宽原子滤光器的格兰泰勒棱镜(9、14)的偏振方向调节至互相垂直，利用它们对入射激光进行选光；
步骤B：调节碱金属原子泡温度
利用温度控制系统(16)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60~90℃；
步骤C：获得超窄线宽光谱
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，从而获得超窄线宽光谱。
根据本发明的一种优选实施方式，在步骤A中，所述低磁场永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为8~13高斯。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述超窄线宽光谱的带宽约是25MHz。
下面将更详细地描述本发明。
本发明涉及一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
本发明克服了目前原子基态法拉利反常色散原子滤光器现有技术中存在的多普勒展宽问题，提出一种利用充满纯碱金属原子泡实现的基于饱和吸收效应的低温低磁场基态超窄线宽原子滤光器。
本发明利用纯碱金属气体基态原子由激光作用产生充分饱和吸收效应的原子泡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，原子泡中产生充分饱和吸收效应的原子产生旋光效应。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，从而达到以频率选光的目的。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。本发明的超窄线宽原子滤光器，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，透射带宽只有25MHz；所获得的窄线宽光谱，对激光稳频、生物医学检测等领域具有重要意义。
本发明的基于饱和吸收效应的低温低磁场基态超窄线宽原子滤光器主要包括碱金属原子泡、两个偏振片、磁场源和温度控制系统。所述的磁场源可以是在本技术领域里通常使用的永磁体或螺旋线圈。所述的偏振片的材质为玻璃或石英；所述温度控制系统采用加热电阻丝或加热芯片进行加热，采用热敏电阻或热电偶进行测温。
根据本发明，所述的低温低磁场超窄线宽原子滤光器是由外腔激光器(1)、光学隔离器(2)、半透半反镜(3)、高透镜(4)、偏振分束器(5)、1/4波片(6)、高反镜(7、8、13、17)、格兰泰勒棱镜(9、14)、永磁体(10、12)、碱金属原子泡(11)、光电探测器(15、19)、温度控制系统(16)与饱和吸收光谱仪(18)组成的，具体地可以参见附图1。
在本发明中，由外腔激光器(1)射出的激光，经过光学隔离器(2)到达半透半反镜(3)，一部分光经高反镜(17)通过饱和吸收光谱(18)到达光电探测器(19)用作参比谱线，另一部分光经高透镜(4)通过偏振分束器(5)分为泵浦光与探测光。
所述的泵浦光经1/4波片(6)、高反镜(7)和高反镜(13)入射到碱金属原子泡(11)中。
所述的探测光经高反镜(8)、格兰泰勒棱镜(9)与永磁体(10)入射到碱金属原子泡(11)中，然后再经永磁体(12)与格兰泰勒棱镜(14)到达光电探测器(15)。
所述的格兰泰勒棱镜(9、14) 是具有起偏和检偏功能的器件。格兰泰勒棱镜(9、14) 分别设置在永磁体(10、12)外侧。格兰泰勒棱镜(9、14)相互平行，并且与光的传播方向垂直，两者偏振方向互相垂直，以便激光与其原子无相互作用时，激光不能从格兰泰勒棱镜(14)出射。
所述的永磁体(10、12)分别置于所述碱金属原子泡(11)两端外侧，而在所述格兰泰勒棱镜(9、14)的内侧。所述的永磁体(10、12)为环形，激光可从环中间穿过；两个环形所处的平面相互平行，并处于同一高度，它们的中心都在光传播路径上，于是可以认为永磁体(10)与永磁体(12)之间的磁场强度是均匀的，并且它们的磁场方向或者与光传播方向一致，或者垂直于光传播方向。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为8~13高斯。
所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的碱金属铯、铷、钾与钠或碱土金属钙原子泡，优选地是铷原子泡。
所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温，用以稳定在其整个系统工作时碱金属原子蒸汽的温度。
所述温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分。
所述的加热部分是采用常规的加热电阻丝或加热芯片方式加热的，所述加热部分对碱金属原子泡(11)的两端进行加热，多余热量通过碱金属原子泡(11)的中间部分散去，这样可以保证没有碱金属原子凝结到碱金属原子泡(11)的玻璃壁上。所述碱金属原子泡(11)的温度控制在60~90℃。所述碱金属原子泡(11)的温度低于60℃，则会透射系数快速减低；所述碱金属原子泡(11)的温度高于90℃，则会透射系数快速减低并出现多个透射峰现象；因此，所述碱金属铷原子泡(11)的温度为60~90℃是合适的，优选地是65~84℃，更优选地是68~75℃。
所述的测温部分是常规的热敏电阻或热电偶，所述的测温部分紧贴在碱金属原子泡上进行温度测量。
另外，本发明的超窄线宽原子滤光器安装在金属外壳中，用以固定上述各元件并屏蔽外界电磁干扰。
本发明还涉及使用所述低温低磁场超窄线宽原子滤光器进行滤光的方法。
该方法步骤如下：
步骤A：调节格兰泰勒棱镜
将所述低温低磁场超窄线宽原子滤光器的格兰泰勒棱镜(9、14)的偏振方向调节至互相垂直，利用它们对入射激光进行选光。
碱金属原子泡(11)、格兰泰勒棱镜(9、14)与永磁体(10、12)如前面所述，在此不再赘述。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为8~13高斯。
步骤B：调节碱金属原子泡温度
利用温度控制系统(16)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60~90℃；
步骤C：获得超窄线宽光谱
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，从而获得超窄线宽光谱。
采用所述方法获得的低温低磁场超窄线宽光谱的线宽是25MHz。
本发明的超窄线宽原子滤光器，通过利用充有碱金属原子并且其基态原子由一激光作用产生充分的饱和吸收效应的气泡，改变了原子与激光相互作用特性，使碱金属原子呈现出精细峰，获得超窄线宽光谱；利用温度控制系统，对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，信噪比高。
本发明的超窄线宽原子滤光器的实施效果见附图2。由附图2可以清楚地看出，在所述的低温低磁场条件之下，滤光器的光谱线宽是25MHz。。
[有益效果]
本发明的有益效果是：本发明的超窄线宽原子滤光器工作于低温低磁场条件，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，透射线宽只有25MHz；所获得的窄线宽光谱，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是本发明超窄线宽原子滤光器的结构示意图；
图中：1-外腔激光器；2-光学隔离器；3-半透半反镜；4-高透镜；5-偏振分束器；6-1/4波片；7-高反镜；8-高反镜；9-格兰泰勒棱镜；10-永磁体；11- 基态原子由一激光作用产生充分的饱和吸收效应的铷原子泡；12-永磁体；13-高反镜；14-格兰泰勒棱镜；15-光电探测器；16-温度控制系统；17-高反镜；18-饱和吸收光谱；19-光电探测器。
图2表示本发明超窄线宽原子滤光器的实施效果示意图；
图中：横坐标是对应的测量激光频率，纵坐标是光透射百分比；
图上方的虚线是作为参考的铷原子多普勒吸收谱，下方的实线是本发明超窄线宽原子滤光器的精细光谱，下方的十字交叉线是无泵浦光时的铷原子谱线。
【具体实施方式】
通过下述实施例将能够更好地理解本发明。
实施例1：一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
结合附图1描述如下：所述的原子滤光器是由外腔激光器(1)、光学隔离器(2)、半透半反镜(3)、高透镜(4)、偏振分束器(5)、1/4波片(6)、高反镜(7、8、13、17)、格兰泰勒棱镜(9、14)、低磁场永磁体(10、12)、低温碱金属原子泡(11)、光电探测器(15、19)、温度控制系统(16)与饱和吸收光谱仪(18)组成的。
所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的碱金属铷原子泡。
所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温，用以稳定在其整个系统工作时碱金属原子蒸汽的温度。所述温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分。所述加热部分对碱金属原子泡(11)的两端进行加热，多余热量通过碱金属原子泡(11)的中间部分散去。所述碱金属原子泡(11)的温度控制在70℃。所述的热敏电阻紧贴在铷原子泡上进行温度测量。
所述的格兰泰勒棱镜(9、14) 是具有起偏和检偏功能的器件。格兰泰勒棱镜(9、14) 分别设置在环形永磁体(10、12)外侧。格兰泰勒棱镜(9、14)相互平行，并且与光的传播方向垂直，两者偏振方向互相垂直。
所述的环形永磁体(10、12)分别置于所述碱金属原子泡(11)两端外侧，而在所述格兰泰勒棱镜(9、14)的内侧。两个环形永磁体(10、12)所处的平面相互平行，并处于同一高度，它们的中心都在光传播路径上，永磁体(10)与永磁体(12)之间的磁场强度是均匀的，并且它们的磁场方向或者与光传播方向一致。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为10高斯。
由外腔激光器(1)射出的激光，经过光学隔离器(2)到达半透半反镜(3)，一部分光经高反镜(17)通过饱和吸收光谱(18)到达光电探测器(19)用作参比谱线，另一部分光经高透镜(4)通过偏振分束器(5)分为泵浦光与探测光。
所述的泵浦光经1/4波片(6)、高反镜(7)和高反镜(13)入射到碱金属原子泡(11)中。
所述的探测光经高反镜(8)、格兰泰勒棱镜(9)与永磁体(10)入射到碱金属原子泡(11)中，然后再经永磁体(12)与格兰泰勒棱镜(14)到达光电探测器(15)。
本发明的低温低磁场超窄线宽原子滤光器安装在金属外壳中，用以固定上述各元件并屏蔽外界电磁干扰。
实施例2：一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
所述原子滤光器的组成如实施例1相同，不同之处在于：所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的碱金属钠原子泡，所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温。所述温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分。所述的加热部分采用加热芯片加热。所述碱金属原子泡(11)的温度控制在60℃。所述的测温部分是热电偶。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为约8高斯。
实施例3：一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器。
所述原子滤光器的组成如实施例1相同，其不同之处在于：所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的钾原子泡所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温。所述温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分，所述的加热部分采用加热电阻丝加热。所述碱金属原子泡(11)的温度控制在80℃。所述的测温部分是热电偶。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为13高斯。
实施例4：一种超窄线宽原子滤光器。
所述原子滤光器的组成如实施例1相同，其不同之处在于：所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的铷原子泡。所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温。所述温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分，所述的加热部分采用加热芯片加热。所述碱金属原子泡(11)的温度控制在90℃。所述的测温部分是热电偶。所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为10高斯。
Claims (9)
1.一种低温低磁场超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述的原子滤光器由外腔激光器(1)、光学隔离器(2)、半透半反镜(3)、高透镜(4)、偏振分束器(5)、1/4波片(6)、高反镜(7、8、13、17)、格兰泰勒棱镜(9、14)、均匀磁场强度为8~13高斯低磁场永磁体(10、12)、温度60~90℃的低温碱金属原子泡(11)、光电探测器(15、19)、温度控制系统(16)与饱和吸收光谱仪(18)组成；
所述的永磁体(10、12)分别置于所述碱金属原子泡(11)两端外侧，所述的碱金属原子泡(11)由温度控制系统(16)进行加热与控温；而所述的永磁体(10、12)外侧分别设置格兰泰勒棱镜(9、14)，格兰泰勒棱镜(9、14)相互平行，并且与光的传播方向垂直，两者偏振方向互相垂直，以便激光与其原子无相互作用时，激光不能从格兰泰勒棱镜(14)出射；
由外腔激光器(1)射出的激光，经过光学隔离器(2)到达半透半反镜(3)，一部分光经高反镜(17)通过饱和吸收光谱(18)到达光电探测器(19)用作参比谱线，另一部分光经高透镜(4)通过偏振分束器(5)分为泵浦光与探测光；
所述的泵浦光经1/4波片(6)、高反镜(7)和高反镜(13)入射到碱金属原子泡(11)中；
所述的探测光经高反镜(8)、格兰泰勒棱镜(9)与永磁体(10)入射到碱金属原子泡(11)中，然后再经永磁体(12)与格兰泰勒棱镜(14)到达光电探测器(15)。
2.根据权利要求1所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述的永磁体(10、12)为环形，两个环形所处的平面相互平行，并处于同一高度。
3.根据权利要求1所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述的碱金属原子泡(11)是由激光作用产生充分饱和吸收效应的碱金属铯、铷、钾与钠原子泡。
4.根据权利要求1所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于温度控制系统(16)包括加热部分与测温部分，所述的加热部分对碱金属原子泡(11)两端加热，多余热量通过碱金属原子泡(11)中间部分散发除去。
5.根据权利要求1所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述永磁体(10、12)产生的均匀磁场强度为8~13高斯。
6.根据权利要求1所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述碱金属原子泡(11)的温度60~90℃。
7.根据权利要求4所述的超窄线宽原子滤光器，其特征在于所述的加热部分是采用加热电阻丝或加热芯片方式加热的，所述的测温部分是采用热敏电阻或热电偶测温的。
8.使用权利要求1-7中任一项权利要求所述超窄线宽原子滤光器进行滤光的方法，其特征在于该方法步骤如下：
步骤A：调节格兰泰勒棱镜
将权利要求1-6中任一项权利要求所述超窄线宽原子滤光器的格兰泰勒棱镜(9、14)的偏振方向调节至互相垂直，利用它们对入射激光进行选光；
步骤B：调节碱金属原子泡温度
利用温度控制系统(16)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60~90℃；
步骤C：获得超窄线宽光谱
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，从而获得超窄线宽光谱。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述超窄线宽光谱的带宽是25MHz。
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