CN103996966B - 基于铷原子滤光器的全光开关及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铷原子滤光器的全光开关及其方法，这种基于铷原子滤光器的全光开关，其包括：一个具有V型能级结构碱金属铷原子玻璃气室；两个偏振方向互相垂直正交的格兰泰勒棱镜；一个稳定的磁场源，用于对所述碱金属铷原子玻璃气室产生一均匀强度的磁场；上述碱金属铷原子玻璃气室、两个偏振方向互相垂直正交的偏振片、稳定的磁场源一起组成标准的原子滤光器；一套420nm激光器，用于原子滤光器全光开光的控制部分；一套780nm激光器，用于铷原子滤光器全光开光的光开关性能测试和应用波长。本发明的有益效果是：设计原理明晰，结构简单，易于制造，开关性能好，工作稳定，寿命长。
Description
技术领域
本发明属于激光全光开关技术和激光光学技术领域，涉及一种基于原子滤光器的全光开关，尤其涉及一种基于V型能级结构的铷原子法拉第反常色散效应的原子滤光器全光开关以及其方法。
背景技术
全光开关在许多特殊领域，如非接触式测量检测、特殊条件下的光通信、全光设备与器件等方面，越来越受到重视。目前已有的全光开关技术包括非线性干涉仪型全光开关、光学双稳全光开关、光限制全光开关、纳米光子学全光开关、液晶全光开关、磁光全光开关、光放大全光开关、表面等离子激元全光开关等，但是在文献资料中尚无基于原子滤光器的全光开关的内容、研究、报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，易于制造，开关性能好，工作稳定，寿命长的基于铷原子滤光器的全光开关及其方法。
这种基于铷原子滤光器的全光开关，其包括：
一个具有V型能级结构碱金属铷原子玻璃气室；
两个偏振方向互相垂直正交的格兰泰勒棱镜，分别放置于如上所述碱金属铷原子玻璃气室两侧且正对所述碱金属原子泡，所述碱金属铷原子玻璃气室中的铷原子可与激光产生充分的旋光作用；
一个稳定的磁场源，用于对所述碱金属铷原子玻璃气室产生一均匀强度的磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行于光传播方向；以及一个温度控制电路系统，用于控制所述碱金属铷原子玻璃气室的稳定温度；
上述碱金属铷原子玻璃气室、两个偏振方向互相垂直正交的偏振片、稳定的磁场源一起组成标准的原子滤光器；
一套420nm激光器，其波长工作于铷原子对应的5S-6P谱线上，用于激发铷原子。所述激光具有将铷原子从基态F＝2能级泵浦6p再弛豫到F＝1能级的功能，用于原子滤光器全光开关的控制部分，6P能级寿命较短，420nm激光器可将F＝2上的原子转运到F＝1上；
一套780nm激光器，其波长工作于铷原子对应的5S-5P谱线上，用于铷原子滤光器全光开关的光开关性能测试和应用波长；所述780nm激光具体对应铷原子基态F＝2能级到5P谱线的波长，用于全光开关的应用测试部分。
这种基于铷原子滤光器的全光开关方法，其步骤包括：
1)利用一充有碱金属铷原子玻璃气室、两个偏振片、一磁场源和一温度控制系统、一套420nm激光器和一套780nm激光器组建上述原子滤光器全光开关；
2)调节所述两个格兰泰勒棱镜的偏振方向至互相正交垂直；
3)利用温度控制电路系统对所述碱金属铷原子玻璃气室进行温度控制；
4)利用420nm激光器控制碱金属铷原子玻璃气室中铷原子在F＝2基态的原子数目，在F＝2基态的铷原子数目具体决定了在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光780nm激光进行旋光的大小，因此，420nm激光器是铷原子滤光器的全光开关的控制光路。
5)利用入射光780nm激光测试铷原子滤光器的全光开关的性能和应用特性；当420nm控制激光器不与铷原子作用时，原子滤光器对780nm激光是开路，即780nm激光可以通过开关，而一旦420nm激光器将铷原子从基态F＝2能级泵浦到F＝1能级，对应铷原子基态F＝2能级到5P谱线的780nm波长激光就不能通过开关。
本发明的有益效果是：通过法拉第反常色散效应，实现V型能级结构原子滤光器全光开关，对V型能级结构原子，比如铷87原子，一旦有另一束激光，如420nm激光，可以用于将基态F＝2上的原子泵浦到F＝1的能态后，对应的5S基态F＝2到激发态的780nm原子滤光器的透过率就将受到420nm激光直接控制，由此法拉第反常色散效应原理，在合适能级结构铷原子上，可以实现由420nm激光控制的基于原子滤光器的780nm激光全光开关。本发明的基于铷原子滤光器的全光开关，设计原理明晰，结构简单，易于制造，开关性能好，工作稳定，寿命长，对特殊条件下的激光通信、非接触式控制和检测等领域具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例的基于铷原子滤光器的全光开关结构示意图；
图2为本发明实施例的铷原子相关能级结构示意图。
图3为应用本发明实施例的铷原子滤光器的全光开关的流程图；
附图标记说明：780nm外腔激光器1、格兰泰勒棱镜2、处于磁场中的碱金属铷原子玻璃气室3、420nm全反780nm高透镜4、格兰泰勒棱镜5、420nm外腔激光器6、780nm激光光束7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述。虽然本发明将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本发明限制在所述实施例中。相反，本发明将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本发明的范围内的替换物、改进型和等同物。
法拉第反常色散原子滤光器(简称原子滤光器)具有高透过率、窄带宽、高边带抑制比等优点，在对信噪比要求较高时，如自由空间光通信、激光布里渊光谱、激光单模稳频、等方面有重要应用。
原子滤光器的透过率决定于参与作用的确定体积内原子数目，对V型能级结构原子，一旦有另一束激光可以用于泵浦原子到其他原子态时，原子滤光器的透过率就将受到直接控制，本发明利用此原理实现基于原子滤光器的全光开关。本发明中我们利用铷原子作为例子，具体描述和说明基于V型能级结构原子滤光器的全光开关以及其方法，以此新原理技术最终可实现原子滤光器全光开关。
图1为本发明实施例的基于铷原子滤光器的全光开关的结构示意图。该原子全光开关包括：780nm外腔激光器1、格兰泰勒棱镜2、处于磁场中的碱金属铷原子玻璃气室3、420nm全反780nm高透镜4、格兰泰勒棱镜5、420nm外腔激光器6和780nm激光光束7。
780nm激光从外腔激光器1射出，经过格兰泰勒棱镜2，到达处于磁场中的碱金属铷原子玻璃气室3，通过420nm全反780nm高透镜4，接着通过格兰泰勒棱镜5形成出射的780nm应用测试光束。420nm激光从外腔激光器6射出，经过420nm全反780nm高透镜4的反射进入处于磁场中的碱金属铷原子玻璃气室3。格兰泰勒棱镜2与格兰泰勒棱镜5是具有起偏和检偏功能的器件，分别放置于铷原子玻璃气室3的两侧，两个棱镜平行，其所在平面与光传播方向垂直；两个棱镜的偏振方向互相垂直，以使在没有激光与原子相互作用时，没有光能从格兰泰勒棱镜5出射。均匀强度的磁场沿光传播方向。420nm和780nm激光光束处于相同高度，中心都在光传播路径上重叠。温度控制电路系统包括加热部分和测温部分，用于稳定系统工作时碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对铷原子玻璃气室3的进行加热，并保证没有原子凝结到铷原子玻璃气室3的玻璃端面上阻碍光通过；测温部分紧贴铷原子玻璃气室进行温度测量。
在上述实施例中，均匀磁场是通过永磁体产生，也可通过螺旋线圈等方式产生均匀磁场。
在上述实施例中，光学器件材质可为玻璃或石英；原子泡的材质可为玻璃或石英；温度控制系统可用加热丝或加热芯片方式加热，用热敏电阻或热电偶测温。
在上述实施例中，铷原子玻璃气室3内充入纯铷气体，并混充一定比例的惰性气体。
图2为应用上述基于铷原子滤光器的全光开关的方法流程图，包括如下步骤：
步骤101：利用一套780nm外腔激光器，一套420nm外腔激光器，一个处于磁场中充有铷原子玻璃气室、两个正交偏振格兰泰勒棱镜、一温度控制系统等组建上述实施例的基于铷原子滤光器全光开关；
步骤102：利用780nm外腔激光器，调节所述两个格兰泰勒棱镜的偏振方向至互相垂直，利用该两个格兰泰勒棱镜对780nm入射光进行调节，780nm激光具体对应铷原子基态F＝2能级到5P谱线的波长，在一定温度和磁场下达到最优780nm原子滤光性能；
步骤103：利用420nm外腔激光器，将铷原子从基态F＝2能级泵浦到F＝1能级，从而可以利用420nm激光控制780nm激光透过率，实现基于铷原子滤光器的全光开关。
上述实施例的基于铷原子滤光器的全光开关，还可包括一金属外壳，用于固定和保护各个元件，并通过严格的尺寸、公差设计使各元件处于准确的相互位置；该外壳还能够屏蔽外界电磁干扰。
上述实施例的基于铷原子滤光器的全光开关，通过利用充有铷原子并且其基态F＝2能级原子数目由一420nm激光泵浦控制，改变了其与激光相互作用原子数目，使其呈现可控的780nm滤光效果，实现全光开关；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，保证全光开关信噪比较高。
Claims (2)
1.一种基于铷原子滤光器的全光开关，其特征在于，包括：
一个具有V型能级结构碱金属铷原子玻璃气室；
两个偏振方向互相垂直正交的格兰泰勒棱镜，分别放置于如上所述碱金属铷原子玻璃气室两侧且正对碱金属原子泡，所述碱金属铷原子玻璃气室中的铷原子可与激光产生充分的旋光作用；
一个稳定的磁场源，用于对所述碱金属铷原子玻璃气室产生一均匀强度的磁场，所述均匀磁场的磁场方向平行于光传播方向；以及一个温度控制电路系统，用于控制所述碱金属铷原子玻璃气室的稳定温度；
所述碱金属铷原子玻璃气室、两个偏振方向互相垂直正交的格兰泰勒棱镜、稳定的磁场源一起组成标准的铷原子滤光器；
一套420nm激光器，其波长工作于铷原子对应的5S-6P谱线上，用于激发铷原子；所述激光器具有将铷原子从基态F＝2能级泵浦6P再弛豫到F＝1能级的功能，用于铷原子滤光器全光开关的控制部分，6P能级寿命较短，420nm激光器可将F＝2上的原子转运到F＝1上；
一套780nm激光器，其波长工作于铷原子对应的5S-5P谱线上，用于铷原子滤光器全光开关的光开关性能测试和应用波长；所述780nm激光器具体对应铷原子基态F＝2能级到5P谱线的波长，用于全光开关的应用测试部分。
2.一种如权利要求1所述的基于铷原子滤光器的全光开关方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用一充有碱金属铷原子玻璃气室、两个格兰泰勒棱镜、一磁场源和一温度控制电路系统、一套420nm激光器和一套780nm激光器组建上述铷原子滤光器全光开关；
2)调节所述两个格兰泰勒棱镜的偏振方向至互相正交垂直；
3)利用温度控制电路系统对所述碱金属铷原子玻璃气室进行温度控制；
4)利用420nm激光器控制碱金属铷原子玻璃气室中铷原子在F＝2基态的原子数目，在F＝2基态的铷原子数目具体决定了在均匀磁场中的法拉第反常色散效应对入射光780nm激光进行旋光的大小，因此，420nm激光器是铷原子滤光器的全光开关的控制光路；
5)利用入射光780nm激光测试铷原子滤光器的全光开关的性能和应用特性；当420nm控制激光器不与铷原子作用时，铷原子滤光器对780nm激光是开路，即780nm激光可以通过开关，而一旦420nm激光器将铷原子从基态F＝2能级泵浦到F＝1能级，对应铷原子基态F＝2能级到5P谱线的780nm波长激光就不能通过开关。
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