CN103427326B - 光纤集成式饱和吸收谱装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光纤集成式饱和吸收谱装置。包括准直管(1)，在准直管(1)两端内分别密封安装第一光纤准直器(3a)和第二光纤准直器(3b)使得准直管(1)的中端部分隔离出一个独立的空间作为内气室(6)，还包括外气室(2)，准直管(1)的外壁与外气室(2)两端的内壁密封相连，内气室(6)周围刻有若干微结构小孔(5)使得内气室(6)与外气室(2)联通，内气室(6)与外气室(2)的内部填充有碱金属原子。本发明通过光纤集成式碱金属原子饱和吸收谱，不但避免了空气指标对稳频精度的影响，实现激光频率的高稳定性，还可以提高光束质量，提高装置抗震性及环境适应性。

Description

光纤集成式饱和吸收谱装置

技术领域

本发明涉及的是一种激光器稳频装置，属于高精度激光干涉测量领域，具体涉及一种光纤集成式碱金属原子饱和吸收谱激光稳频装置。

背景技术

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，是基础科学研究的重要工具，也是尖端科学的关键组成部分，在现代科学技术中发挥着越来越重要的作用。饱和吸收稳频是选用稳定度高且线宽窄的原子或分子的饱和吸收谱线作为参考频率,将激光频率锁定吸收线中心频率处，进一步提高激光器的频率稳定性。

对于一般的饱和吸收谱装置，大部分结构暴露在空气中，空气的温度、气压、湿度等的变化，将改变空气的折射率，进而导致腔频的变化，影响稳频精度。另外，空气光路结构的饱和吸收谱装置的光束质量差，而且整套装置需要安装在极稳定的光学平台上以消除环境的机械振动，这样的装置仅适合作为实验室装置，环境适应性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种不但可以避免空气指标对稳频精度的影响，实现激光频率的高稳定性，还可以提高光束质量，提高装置抗震性及环境适应性的光纤集成式饱和吸收谱装置。

本发明的目的是这样实现的：包括准直管1，在准直管1两端内分别密封安装第一光纤准直器3a和第二光纤准直器3b使得准直管1的中端部分隔离出一个独立的空间作为内气室6，还包括外气室2，准直管1的外壁与外气室2两端的内壁密封相连，内气室6周围刻有若干微结构小孔5使得内气室6与外气室2联通，内气室6与外气室2的内部填充有碱金属原子。

本发明还可以包括：

1、所述的准直管1、外气室2均由玻璃或石英材料制作而成。

2、所述的准直管1、第一光纤准直器3a以及第二光纤准直器3b的中心点均位于同一条直线上。

3、与第一光纤准直器3a和第二光纤准直器3b相连的第一尾纤4a和第二尾纤4b均为单模光纤。

本发明的基本原理是：假设原子具有二能级模型，在不存在泵浦光的情况下，由于原子对光的吸收，将得到具有多普勒增宽的透射谱，这是由于多普勒增宽远大于自然线宽。存在泵浦光的情况下，在原子共振线处会出现一个很窄的谱线，这是由于当激光器的频率等于原子共振频率时ν＝ν₀，沿着与泵浦光束垂直方向运动的原子所感受的泵浦光频率与检测光频率相同，强泵浦光会将一部分原子泵浦至激发态，因此不再吸收检测光，当泵浦光足够强时，会产生恒定的零检测光吸收，达到“饱和”，因此称为饱和吸收谱。

本发明提供了一种应用于激光器稳频的装置——通过光纤集成式碱金属原子饱和吸收谱，不但避免了空气指标对稳频精度的影响，实现激光频率的高稳定性，还可以提高光束质量，提高装置抗震性及环境适应性。

本发明的优点是：一、光束质量好，没有其他杂散光的干扰，且全反射光线损失少；二、基于光纤集成式的饱和吸收谱装置，体积小，重量轻，且结构简单；三、该方法克服了空气光路结构的饱和吸收谱装置需要安装在极稳定的光学平台上以消除环境的机械振动的问题，抗震度高；四、光路大部分在真空中，避免了空气的温度、气压、湿度等的变化，改变了空气的折射率，进而影响稳频精度，环境适应性好。

附图说明

图1光纤集成式饱和吸收谱装置结构示意图；

图2基于光纤集成式饱和吸收谱装置的激光器稳频系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明进行详细的说明。

结合图1，本发明的光纤集成式饱和吸收谱装置包括准直管1、外气室2、光纤准直器。所述的准直管1、外气室2均由玻璃或石英材料制作而成，准直管1的外壁与外气室2两端的内壁密封相连。所述的第一光纤准直器3a和第二光纤准直器3b分别密封安装在准直管1两端内，使得准直管1的中端部分隔离出一个独立的空间作为内气室6。所述的内气室6周围刻有若干微结构小孔5，使得内气室6与外气室2联通，内气室6与外气室2的内部均为真空状态后在内气室6以及外气室2的内部填充碱金属原子。所述的准直管1、第一光纤准直器3a以及第二光纤准直器3b的中心点均位于通一条直线上。所述的第一光纤准直器3a和第二光纤准直器3b的第一尾纤4a和第二尾纤4b均为单模光纤。

结合图2，基于光纤集成式饱和吸收谱装置的激光器稳频系统包括准直管1、外气室2、第一光纤准直器3a和第二光纤准直器3b、光隔离器7a和7b、Y型光纤(3dB耦合器)8a和8b、光源9以及光电探测器10。所述的光源9为激光光源，与Y型光纤(3dB耦合器)8a的公共端相连，所述的Y型光纤(3dB耦合器)8a的分光比为10:1，强光输出端连接光隔离器7a输入端，弱光输出端连接光隔离器7b输入端。光隔离器7b输出端连接光纤集成式饱和吸收谱装置的第一尾纤4a，第二尾纤4b连接Y型光纤(3dB耦合器)8b的公共端，所述的Y型光纤(3dB耦合器)8b的分光比为1:1，两个分叉端口分别连接光隔离器7a输出端以及探测器10，探测器10通过单芯屏蔽信号线11将电信号送回光源9，从而通过对激光器的电流和温度进行控制，保证激光器的输出频率稳定在ν＝ν₀。

光源9所发出的激光束通过分光比为10:1的Y型光纤(3dB耦合器)8a分成较强的泵浦光束I₁和较弱的探测光束I₂。这两束光分别通过光隔离器7a和光隔离器7b后，通过第一尾纤4a和第二尾纤4b进入饱和吸收谱装置。光隔离器使得两束光均单方向传输，防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光路系统产生的影响，可以很大程度上减少反射光对光源9的光谱输出功率稳定性产生的不良反应。饱和吸收谱装置的内气室6和外气室2的内部填充有碱金属铯原子，调谐激光频率ν，当ν≠ν₀(铯原子吸收中心频率)时，由于多普勒效应，两束光分别被运动方向相反的两群铯原子所吸收。当ν＝ν₀时，两束光同时和速度方向相同(相对激光光束方向)的一群铯原子相互作用，铯原子被强泵浦光束激励达到饱和状态，即吸收的铯原子几乎全部被泵浦光束激励到高能态，探测光束几乎没有被铯原子吸收就通过了内气室，因此在探测光强I₂和频率ν的关系曲线上，在ν＝ν₀时出现了尖峰效应，尖峰的宽度由低于吸收介质的均匀宽度决定，消除了多普勒加宽的影响，使尖峰的宽度变得十分狭窄，将此信号通过单芯屏蔽信号线11反馈回光源9，大大提高了激光器的频率稳定度，保证激光器的输出频率稳定在ν＝ν₀。

以上所述的具体实施方案，对本发明的具体制备方法进行了进一步详细说明。本发明所实现的基于光纤集成式饱和吸收谱装置的激光器稳频方法，简单方便，适用于激光器稳频系统小型化，便于户外实验操作。

Claims (5)

1.一种光纤集成式饱和吸收谱装置，包括准直管(1)，其特征是：在准直管(1)两端内分别密封安装第一光纤准直器(3a)和第二光纤准直器(3b)使得准直管(1)的中端部分隔离出一个独立的空间作为内气室(6)，还包括外气室(2)，准直管(1)的外壁与外气室(2)两端的内壁密封相连，内气室(6)周围刻有若干微结构小孔(5)使得内气室(6)与外气室(2)联通，内气室(6)与外气室(2)的内部填充有碱金属原子。

2.根据权利要求1所述的光纤集成式饱和吸收谱装置，其特征是：所述的准直管(1)、外气室(2)均由玻璃或石英材料制作而成。

3.根据权利要求1或2所述的光纤集成式饱和吸收谱装置，其特征是：所述的准直管(1)、第一光纤准直器(3a)以及第二光纤准直器(3b)的中心点均位于同一条直线上。

4.根据权利要求1或2所述的光纤集成式饱和吸收谱装置，其特征是：与第一光纤准直器(3a)相连的第一尾纤(4a)，和第二光纤准直器(3b)相连的第二尾纤(4b)均为单模光纤。

5.根据权利要求3所述的光纤集成式饱和吸收谱装置，其特征是：与第一光纤准直器(3a)相连的第一尾纤(4a)，和第二光纤准直器(3b)相连的第二尾纤(4b)均为单模光纤。