CN104297950B - 混合气体多波段原子滤光器及其方法 - Google Patents

混合气体多波段原子滤光器及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合气体多波段原子滤光器及其方法，包括：一种基于混合气体多波长原子滤光器，其包括：一个具有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室；两个在光的偏振方向上互相垂直正交的第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜，这一对棱镜对分别放置于所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室两侧，并且正对所述碱金属原子玻璃气室，所述混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室中的铷铯混合气体原子可与激光产生充分的法拉第旋光作用；一个稳定的磁场源，用于对所述混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室产生一强度变化的梯度磁场，所述梯度磁场的磁场方向平行于光传播方向。本发明的有益效果是：结构非常简单，易于制造，性能好，工作稳定，寿命长。

Description

混合气体多波段原子滤光器及其方法
技术领域
本发明属于光频原子滤光器技术和光学器件技术领域，涉及一种基于混合气体气室型的多波段原子滤光器，具体涉及一种基于多种碱金属原子混合气体气室型的原子法拉第反常色散效应的原子滤光器及其方法。
背景技术
法拉第反常色散原子滤光器(此后简称原子滤光器)具有高透过率、窄带宽、高边带抑制比等多种特有优点，在对信噪比要求较高时，如自由空间光通信、激光布里渊光谱与生物活体组织成像、激光雷达和遥感、激光单模稳频、光频原子钟等不同科学研究和应用领域都有着重要应用。
原子滤光器的透过波长决定于所利用的原子跃迁能级对应的谱线波长，因此在具体应用方面往往先确定好所需的波长及其对应原子，具有非常明确的一一对应特征。国内外已有的文章和专利报道等文献信息中，原子滤光器都是用单一原子种类，结合确定的磁场和温度参数，只能提供单一波长的滤光功能。然而，随着科学技术的发展，以及不同应用场景需求的提高，越来越需要不同波长的激光提供确定的波长标准，这就需要有不同波长的滤光器。
发明内容
本发明的目的在于，通过利用多种碱金属原子混合气体的气室，不同种类原子在各自的波长处都发生法拉第反常色散效应，实现混合气体多波段原子滤光器及其方法。
本发明的混合气体多波段原子滤光器，包括：
一种基于混合气体多波长原子滤光器，其包括：
一个具有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室；
两个在光的偏振方向上互相垂直正交的第一格兰泰勒棱镜和第二格兰泰勒棱镜，这一对棱镜对分别放置于所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室两侧，并且正对所述碱金属原子玻璃气室，所述混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室中的铷铯混合气体原子可与激光产生充分的法拉第旋光作用；
一个稳定的磁场源，用于对所述混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室产生一强度变化的梯度磁场，所述梯度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，用于控制所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室的稳定温度。
作为优选：所述第一格兰泰勒棱镜与第二格兰泰勒棱镜是具有起偏和检偏功能的器件，分别放置于混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室的两侧，两个格兰泰勒棱镜平行，其所在平面与光传播方向垂直；两个格兰泰勒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，没有光能从第二格兰泰勒棱镜出射。
作为优选：所述稳定的磁场源由第一环形永久磁铁和第二环形永久磁铁产生定态磁场，强度分布稳定的磁场沿光传播方向。
作为优选：所述稳定的磁场源由螺旋线圈产生。
作为优选：所述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混合碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对混合铷原子和铯原子玻璃气室进行加热，并保证没有原子凝结到混合铷原子和铯原子玻璃气室的玻璃端面上阻碍光通过；测温部分紧贴混合铷原子和铯原子玻璃气室进行温度测量。
作为优选：所述光学器件材质为玻璃或石英。
作为优选：所述原子泡的材质为玻璃或石英。
作为优选：所述温度控制电路系统用加热丝或加热芯片方式加热，用热敏电阻或热电偶测温。
一种上述基于混合铷原子和铯原子的混合气体多波长原子滤光器的方法，其步骤包括：
1)利用一充有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室、第一格兰泰勒棱镜、第二格兰泰勒棱镜、一磁场源和一温度控制系统；
2)调节优化好所述两个格兰泰勒棱镜或偏振片的偏振方向至交理想的的互相正交垂直位置；
3)将激光经过第一格兰泰勒棱镜，到达处于磁场中的混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室，接着通过第二格兰泰勒棱镜，并得到出射的应用测试光束；
4)利用温度控制电路系统对所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室进行温度控制，达到滤光器的效果在420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm波长处协同最优的效果；
5)调节优化磁场源的大小与梯度，达到滤光器的效果在420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm波长处协同最优的效果。
作为优选：步骤1)中所述混合铷原子和铯原子玻璃气室内充入铷原子气体与铯原子气体，同时混充惰性气体。
本发明的有益效果是：利用了混合碱金属铷原子和铯原子的多能级跃迁谱线结构具有的多波长特性，利用在420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm不同波长处可控的法拉第反常色散效应，实现了一种基于混合碱金属铷原子和铯原子气室的多波长原子滤光器，并提供了其实现方法。本发明的基于混合碱金属铷原子和铯原子的多波长原子滤光器，设计原理明晰，结构非常简单，易于制造，性能好，工作稳定，寿命长，对特殊条件下的激光波长计的多波长标准测试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混合碱金属铷原子和铯原子多波长滤光器的结构示意图；
图2、图3为本发明实施例的铷原子和铯原子相关能级结构示意图。
图4为应用本发明实施例的混合碱金属铷原子和铯原子多波长原子滤光器的流程图；
附图标记说明：第一格兰泰勒棱镜1、第一环形永久磁铁2、玻璃气室3、第二环形永久磁铁4、第二格兰泰勒棱镜5。
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。
图1为本发明实施例的基于混合铷原子和铯原子气体的玻璃气室多波长滤光器的结构示意图。该多波长原子滤光器包括：第一格兰泰勒棱镜1；第一环形永久磁铁2；混合铷原子和铯原子气体玻璃气室3；第二环形永久磁铁4；第二格兰泰勒棱镜5。
将激光经过格兰泰勒棱镜1，到达处于磁场中的混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室3，接着通过第二格兰泰勒棱镜5，并得到出射的应用测试光束。第一格兰泰勒棱镜1与第二格兰泰勒棱镜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，没有光能从第二格兰泰勒棱镜5出射。第一环形永久磁铁2和第二环形永久磁铁4产生定态磁场。强度分布稳定的磁场沿光传播方向。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混合碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对混合铷原子和铯原子气体玻璃气室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；测温部分紧贴混合铷原子和铯原子玻璃气室进行温度测量。
在上述实施例中，磁场是通过永磁体产生，也可通过螺旋线圈等方式产生磁场。
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，混合铷原子和铯原子玻璃气室3内充入一定比例的铷原子气体与铯原子气体，同时混充一定比例的惰性气体。
图4为应用上述基于混合铷原子和铯原子的多波段原子滤光器的方法流程图，包括如下步骤：
步骤101：利用一个处于磁场中充有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室3、两个产生定态磁场的环形永久性磁铁、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和铯原子的多波段滤光器；
步骤102：利用所要处理的入射激光，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入射光进行调节，在一定温度和磁场下可达到最优的多波段原子滤光性能，就可以得到420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm六种波长的原子滤光器；
上述实施例的基于混合碱金属铷原子和铯原子多波长原子滤光器，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。
上述实施例的基于混合碱金属混合铷原子和铯原子多波长滤光器，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，保证滤光器透射光的信噪比较高。
上述实施例仅是为了说明本发明的原理，而非用于限制本发明的范围。本领域的技术人员可在不违背本发明的技术原理及精神下，对实施例作修改与变化，比如可以增加碱金属的种类，混合钾和钠等原子，甚至惰性气体，达到其它不同波长的多波段原子滤光器的目的和效果。本发明的保护范围应如权利要求所述。

Claims (8)

1.一种混合气体多波段原子滤光器，其特征在于，包括：
一个具有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)；
两个在光的偏振方向上互相垂直正交的第一格兰泰勒棱镜(1)和第二格兰泰勒棱镜(5)，这一对棱镜对分别放置于所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)两侧，并且正对所述玻璃气室(3)，所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)中的铷铯混合气体原子可与激光产生充分的法拉第旋光作用；
一个稳定的磁场源，用于对所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)产生一强度变化的梯度磁场，所述梯度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，用于控制所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)的稳定温度。
2.根据权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器，其特征在于：所述第一格兰泰勒棱镜(1)与第二格兰泰勒棱镜(5)是具有起偏和检偏功能的器件，分别放置于混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室(3)的两侧，两个格兰泰勒棱镜平行，其所在平面与光传播方向垂直；两个格兰泰勒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，没有光能从第二格兰泰勒棱镜(5)出射。
3.根据权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器，其特征在于：所述稳定的磁场源由第一环形永久磁铁(2)和第二环形永久磁铁(4)产生定态磁场，强度分布稳定的磁场沿光传播方向。
4.根据权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器，其特征在于：所述稳定的磁场源由螺旋线圈产生。
5.根据权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器，其特征在于：所述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混合碱金属原子蒸汽的温度，其加热部分对混合铷原子和铯原子玻璃气室(3)进行加热，并保证没有原子凝结到混合铷原子和铯原子玻璃气室(3)的玻璃端面上阻碍光通过；测温部分紧贴混合铷原子和铯原子玻璃气室(3)进行温度测量。
6.根据权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器，其特征在于：所述温度控制电路系统用加热丝或加热芯片方式加热，用热敏电阻或热电偶测温。
7.一种权利要求1所述的混合气体多波段原子滤光器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用一充有混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室(3)、第一格兰泰勒棱镜(1)、第二格兰泰勒棱镜(5)、一磁场源和一温度控制系统；
2)调节优化好所述两个格兰泰勒棱镜的偏振方向至互相正交垂直位置；
3)将激光经过第一格兰泰勒棱镜(1)，到达处于磁场中的混合碱金属铷原子和铯原子玻璃气室(3)，接着通过第二格兰泰勒棱镜(5)，并得到出射的应用测试光束；
4)利用温度控制电路系统对所述混合碱金属铷原子和铯原子的玻璃气室进行温度控制，达到滤光器的效果在420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm波长处协同最优的效果；
5)调节优化磁场源的大小与梯度，达到滤光器的效果在420nm、455nm、780nm、795nm、852nm、894nm波长处协同最优的效果。
8.根据权利要求7所述的混合气体多波段原子滤光器的使用方法，其特征在于：步骤1)中所述混合铷原子和铯原子玻璃气室(3)内充入铷原子气体与铯原子气体，同时混充惰性气体。
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