CN103969842A - 一种1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器 - Google Patents
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本发明属于原子滤光技术领域，具体涉及一种1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器。该原子滤光器利用偏振抽运光使碱金属原子激发态磁子能级产生原子数差，而原子数差会带来圆双折性，从而使入射光产生旋光作用，实现滤光功能。具体而言，该方案重点针对通信波段最常见的1.5μm波段激光信号，工作原子选取碱金属铷原子，使用780nm半导体激光器对Rb87的5S1/2→5P3/2进行泵浦，利用Rb87的5P3/2→4D3/2跃迁制作通信波段的偏振泵浦原子滤光器。由于采用了偏振泵浦的方式实现滤光，该滤光器不需磁场就可实现滤光功能，省去传统滤光器中的磁场部分结构，从而简化滤光器结构，并可将其运用于不需要磁场的特殊情形下。
Description
技术领域
本发明属于原子滤光技术领域，具体涉及一种1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器。
背景技术
传统的滤光器如干涉滤光片，其通带宽度较宽，为10nm量级；而利用双折射效应做成的晶体滤光器，滤光带宽与晶体厚度成反比，增加晶体厚度会缩小接收立体角并增加通带内损耗，窄带宽和高透射率的要求难以同时得到满足。此外，利用原子的超窄带共振特性研制滤光器件，ARF(atom resonance filter，原子共振滤光器)，具有响应速度慢和不能成像的缺点。
1991年，一种新型的原子滤光器--FADOF(Faraday anomalousdispersion optical filter，法拉第反常色散滤光器)被研制出来，该类型滤光器利用法拉第反常色散效应进行工作。线偏振光在加有恒定纵向磁场的原子蒸汽中传播时，由于原子吸收线在磁场作用下发生分裂，对于左旋圆偏振(LCP)光和右旋圆偏振(RCP)光有不同的吸收和色散效应，造成原线偏振光偏振面会发生旋转，这即是法拉第反常色散效应。法拉第反常色散滤光器主要由两个正交的偏振片和置于纵向磁场中的原子汽室组成。其中，第一个偏振片的作用是起偏，第二个偏振片的作用是检偏。法拉第反常色散效应使通带内的信号光偏振面发生旋转，改变温度和磁场可控制旋转的角度，使通带内的信号光能够最大限度的透过第二个偏振片，而带外信号偏振面不变，于是被正交的偏振片消除。法拉第反常色散滤光器能从较强宽带背景光中提取出微弱窄带光信号，与传统滤光器相比，具有窄带宽、高透射率、大视场角、较快的时间响应度和较高的带外噪声抑制比等优点，可运用于自由空间光通信，水下光通信，深空光通信，遥感，激光雷达等领域。
然而，FADOF需工作在磁场条件下，磁场可由永磁体或者电磁铁提供。直到1995年，一种不要磁场的原子滤光器被提出来了，即偏振泵浦原子滤光器。这种新式原子滤光器的一大特点是不需要外加磁场，只是利用特定偏振状态的抽运光促使碱金属原子基态或者激发态磁子能级上产生原子数差。而磁子能级上的原子数差又会使得碱金属原子蒸汽具有圆双折射性，进而对入射光产生旋光作用。
由此，针对该类新型原子滤光器的研究，实现无须磁场环境下的滤光作用，目前已日益成为重点项目方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种工作于1.5μm通信波段且不需要磁场的新型原子滤光器。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器，所述偏振泵浦原子滤光器配套设置有用于检测滤光效果的1.5μm激光源12，所述1.5μm激光源12为可调谐的1.5μm激光源，用以产生波长连续变化的1.5μm信号光，从而检测一段连续波长范围内信号光的透射情况；
所述偏振泵浦原子滤光器包括：在780nm泵浦光方向上的可调谐的780nm半导体激光器1、第一激光隔离器2、780nm的四分之一波片3、耦合用二向色性镜片4、Rb原子蒸汽泡7；以及1.5μm激光方向上的孔径光阑9、起偏镜5、检偏镜8以及光电探测器6；
在780nm泵浦光方向上，
所述可调谐的780nm半导体激光器1，其用于提供Rb87基态5S1/2到目标激发态5P3/2的780nm泵浦光，其通过稳频模块将激光波长锁定在泵浦效率最大的位置处；
所述第一激光隔离器2，其设置于所述780nm半导体激光器1的出射路径上，用于确保780nm泵浦光信号单向透过，隔断后级光学器件上反射回来的光信号，避免光反馈对半导体激光器工作模式的影响，造成工作不稳定；
所述780nm的四分之一波片3，其设置于所述第一激光隔离器2透射780nm泵浦光信号后的出射路径上，其用于利用四分之一波片的特性，将入射光信号的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量分别转变为波片主轴和副轴成±45°角方向上的线偏振光；
所述耦合用二向色性镜片4，其设置于所述四分之一波片3与Rb原子蒸汽泡7之间，并设置为对1.5μm光高反射，对780nm光高透射，用于在把780nm泵浦光引入滤光器光路的同时减小信号光的损失；
所述Rb原子蒸汽泡7，泡采用石英材料制作，其接收所述1.5μm激光源12的1.5μm激光以及780nm半导体激光器1的780nm泵浦光；Rb原子蒸汽泡7通过接收来自780nm半导体激光器1的780nm泵浦光，通过偏振泵浦效应使得共振能级附近的光信号偏振方向发生偏转；
在1.5μm激光源方向上，
所述孔径光阑9，其接收来自1.5μm激光源12的1.5μm激光，用于调节探测光斑大小，同时阻挡泵浦光；
所述起偏镜5，其设置于所述孔径光阑9与Rb原子蒸汽泡7之间，设置为允许线偏振的信号光透过，并使杂散光只有一个线偏振分量透过，然后通过后级正交的检偏镜8，将这一部分杂散光也滤除；
所述检偏镜8，其设置于所述耦合用二向色性镜片4的反射光路上，用于滤除杂散光；
所述光电探测器6，其用于将光信号转换为电信号进行处理，把滤光器透射的光信号转化为电信号记录，由于信号光的波长连续变化，因此连续记录透射的信号光就可以得到以波长为自变量，透射率为值的曲线，也即透射谱。
其中，所述1.5μm激光源12与孔径光阑9之间设置有反射镜10，所述反射镜10用于将1.5μm激光源12的1.5μm激光反射至孔径光阑9。
其中，所述1.5μm激光源12与孔径光阑9之间设置有第二激光隔离器11，所述第二激光隔离器11用于确保1.5μm激光单向透过，把后级光学器件上反射回来的光信号隔断，避免光反馈影响半导体激光器的工作模式，造成工作不稳定。
(三)有益效果
本发明技术方案利用偏振泵浦原理，制作了一种工作于1.5μm通信波段且不需要磁场的新型原子滤光器。该方案利用偏振抽运光使得碱金属原子激发态磁子能级产生原子数差，而原子数差会带来圆双折性，从而使入射光产生旋光作用，实现滤光功能。
具体而言，该方案重点针对通信波段最常见的1.5μm波段激光信号，工作原子选取碱金属铷原子(rubidium，Rb)，使用780nm半导体激光器对Rb87的5S1/2→5P3/2进行泵浦，然后利用Rb87的5P3/2→4D3/2跃迁制作通信波段的偏振泵浦原子滤光器。
由于采用了偏振泵浦的方式实现滤光，本发明滤光器不需要磁场就可实现滤光功能，省去了传统滤光器中的磁场部分结构，从而简化了滤光器结构，并可将其运用于一些不需要磁场的特殊情形下。
附图说明
图1：本发明技术方案中偏振泵浦原子滤光器整体结构示意图。
图2：偏振泵浦原子滤光器利用的原子跃迁线。
图3：偏振泵浦原子滤光器透过率曲线(150℃条件下)。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器，如图1至图3所示，所述偏振泵浦原子滤光器配套设置有用于检测滤光效果的1.5μm激光源12，所述1.5μm激光源12为可调谐的1.5μm激光源，用以产生波长连续变化的1.5μm信号光，从而检测一段连续波长范围内信号光的透射情况；
所述偏振泵浦原子滤光器包括：在780nm泵浦光方向上的可调谐的780nm半导体激光器1、第一激光隔离器2、780nm的四分之一波片3、耦合用二向色性镜片4、Rb原子蒸汽泡7；以及1.5μm激光方向上的孔径光阑9、起偏镜5、检偏镜8以及光电探测器6；
在780nm泵浦光方向上，
所述可调谐的780nm半导体激光器1，其用于提供Rb87基态5S1/2到目标激发态5P3/2的780nm泵浦光，其通过稳频模块将激光波长锁定在泵浦效率最大的位置处；
所述第一激光隔离器2，其设置于所述780nm半导体激光器1的出射路径上，用于确保780nm泵浦光信号单向透过，隔断后级光学器件上反射回来的光信号，避免光反馈对半导体激光器工作模式的影响，造成工作不稳定；
所述780nm的四分之一波片3，其设置于所述第一激光隔离器2透射780nm泵浦光信号后的出射路径上，其用于利用四分之一波片的独特性质，将入射光信号的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量分别转变为波片主轴和副轴成±45°角方向上的线偏振光；
所述耦合用二向色性镜片4，其设置于所述四分之一波片3与Rb原子蒸汽泡7之间，并设置为对1.5μm光高反射，对780nm光高透射，用于在把780nm泵浦光引入滤光器光路的同时尽可能减小信号光的损失；
所述Rb原子蒸汽泡7，泡采用石英材料制作，在近红外780nm和1.5μm都有比较高的透射率，其接收所述1.5μm激光源12的1.5μm激光以及780nm半导体激光器1的780nm泵浦光；Rb原子蒸汽泡7通过接收来自780nm半导体激光器1的780nm泵浦光，通过偏振泵浦效应使得共振能级附近的光信号偏振方向发生偏转；
在1.5μm激光源方向上，
所述孔径光阑9，其接收来自1.5μm激光源12的1.5μm激光，用于调节探测光斑大小，同时阻挡泵浦光；
所述起偏镜5，其设置于所述孔径光阑9与Rb原子蒸汽泡7之间，设置为允许线偏振的信号光透过，并使杂散光只有一个线偏振分量透过，然后通过后级正交的检偏镜8，将这一部分杂散光也滤除；
所述检偏镜8，其设置于所述耦合用二向色性镜片4的反射光路上，用于滤除杂散光；
所述光电探测器6，其用于将光信号转换为电信号进行处理，把滤光器透射的光信号转化为电信号记录，由于信号光的波长连续变化，因此连续记录透射的信号光就可以得到以波长为自变量，透射率为值的曲线，也即透射谱。
同时，优选地，在所述1.5μm激光源12与孔径光阑9之间设置有反射镜10，所述反射镜10用于将1.5μm激光源12的1.5μm激光反射至孔径光阑9。
优选地，在所述1.5μm激光源12与孔径光阑9之间设置有第二激光隔离器11，所述第二激光隔离器11用于确保1.5μm激光单向透过，把后级光学器件上反射回来的光信号隔断，避免光反馈影响半导体激光器的工作模式，造成工作不稳定。
在上述内容中，附图标记1～9的器件为本发明原子滤光器的主体部分，正交偏振片5及8使绝大多数的光都无法通过滤光器，只有那些在铷泡7和偏振泵浦共同作用下，偏振方向发生旋转的光信号才能透射出去。
图2为偏振泵浦原子滤光器利用的原子跃迁能级图，780nm右旋偏振泵浦光将Rb87原子从基态(5S1/2，F＝2,mF＝2)泵浦到激发态(5P3/2，F＝3,mF＝3)。1529nm探测光为线偏振光，可分解为左旋偏振光和右旋偏振光。其中，1529nm探测光中的左旋部分可将激发态(5P3/2，F＝3,mF＝3)耦合到更高能级的两个态(4D3/2，F＝3,mF＝3以及4D3/2，F＝2,mF＝3)，而探测光中的右旋部分将自由通过汽室。这使得探测光中的左旋分量和右旋分量的吸收和散射存在较大差异，即碱金属原子蒸汽具有圆双折射性和圆双色性，可使探测光的偏振面发生旋转，进而产生共振旋光效应。
图3为偏振泵浦原子滤光器透过率曲线，横坐标为频率(GHz)，纵坐标为透过率(％)。在150℃的工作条件下，我们可得到11.3％的透过率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种5μm波段的偏振泵浦原子滤光器，其特征在于，所述偏振泵浦原子滤光器配套设置有用于检测滤光效果的1.5μm激光源(12)，所述1.5μm激光源(12)为可调谐的1.5μm激光源，用以产生波长连续变化的1.5μm信号光，从而检测一段连续波长范围内信号光的透射情况；
所述偏振泵浦原子滤光器包括：在780nm泵浦光方向上的可调谐的780nm半导体激光器(1)、第一激光隔离器(2)、780nm的四分之一波片(3)、耦合用二向色性镜片(4)、Rb原子蒸汽泡(7)；以及1.5μm激光方向上的孔径光阑(9)、起偏镜(5)、检偏镜(8)以及光电探测器(6)；
在780nm泵浦光方向上，
所述可调谐的780nm半导体激光器(1)，其用于提供Rb87基态5S1/2到目标激发态5P3/2的780nm泵浦光，其通过稳频模块将激光波长锁定在泵浦效率最大的位置处；
所述第一激光隔离器(2)，其设置于所述780nm半导体激光器(1)的出射路径上，用于确保780nm泵浦光信号单向透过，隔断后级光学器件上反射回来的光信号，避免光反馈对半导体激光器工作模式的影响，造成工作不稳定；
所述780nm的四分之一波片(3)，其设置于所述第一激光隔离器(2)透射780nm泵浦光信号后的出射路径上，其用于利用四分之一波片的特性，将入射光信号的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量分别转变为波片主轴和副轴成±45°角方向上的线偏振光；
所述耦合用二向色性镜片(4)，其设置于所述四分之一波片(3)与Rb原子蒸汽泡(7)之间，并设置为对1.5μm光高反射，对780nm光高透射，用于在把780nm泵浦光引入滤光器光路的同时减小信号光的损失；
所述Rb原子蒸汽泡(7)，泡采用石英材料制作，其接收所述1.5μm激光源(12)的1.5μm激光以及780nm半导体激光器(1)的780nm泵浦光；Rb原子蒸汽泡(7)通过接收来自780nm半导体激光器(1)的780nm泵浦光，通过偏振泵浦效应使得共振能级附近的光信号偏振方向发生偏转；
在1.5μm激光源方向上，
所述孔径光阑(9)，其接收来自1.5μm激光源(12)的1.5μm激光，用于调节探测光斑大小，同时阻挡泵浦光；
所述起偏镜(5)，其设置于所述孔径光阑(9)与Rb原子蒸汽泡(7)之间，设置为允许线偏振的信号光透过，并使杂散光只有一个线偏振分量透过，然后通过后级正交的检偏镜(8)，将这一部分杂散光也滤除；
所述检偏镜(8)，其设置于所述耦合用二向色性镜片(4)的反射光路上，用于滤除杂散光；
所述光电探测器(6)，其用于将光信号转换为电信号进行处理，把滤光器透射的光信号转化为电信号记录，由于信号光的波长连续变化，因此连续记录透射的信号光就可以得到以波长为自变量，透射率为值的曲线，也即透射谱。
2.如权利要求1所述的1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器，其特征在于，所述1.5μm激光源(12)与孔径光阑(9)之间设置有反射镜(10)，所述反射镜(10)用于将1.5μm激光源(12)的1.5μm激光反射至孔径光阑(9)。
3.如权利要求1所述的1.5μm波段的偏振泵浦原子滤光器，其特征在于，所述1.5μm激光源(12)与孔径光阑(9)之间设置有第二激光隔离器(11)，所述第二激光隔离器(11)用于确保1.5μm激光单向透过，把后级光学器件上反射回来的光信号隔断，避免光反馈影响半导体激光器的工作模式，造成工作不稳定。
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