CN104393483A - 一种728nm稳频激光标准产生装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种728nm稳频激光标准产生装置，包括：一台455nm波长的泵浦激光器；一台728nm波长的半导体激光器；一个具有碱金属铯原子的玻璃气室；一个磁场屏蔽盒，用于对所述碱金属铯原子玻璃气室的地球磁场的隔离；一个温度控制电路，用于控制所述碱金属铯原子的玻璃气室的温度控制和稳定；以及一个锁屏电路，用于将728nm波长的半导体激光器的频率锁定在铯原子的5D激发态到到6F激发态之间的728nm激光光谱线上。本发明的有益效果是：原理明晰，结构简单，易于实现，性能稳定，对特殊条件下的激光波长计的波长校准、相干光通信、雷达信号同步、光频原子钟等不同学科领域都具有重要应用意义。

Description

一种728nm稳频激光标准产生装置及其方法

技术领域

本发明属于激光器技术和稳频激光标准技术领域，涉及一种基于铯原子激发态精密激光光谱稳频的激光标准，具体涉及一种基于碱金属铯原子激发态之间728nm半导体激光精密光谱稳频的激光标准产生装置及其方法。

背景技术

原子的精密激光光谱可以用于稳频各种不同的激光器，得到频率具有绝对标准意义的稳频激光标准，通常也称作激光频率标准。如果再结合现在已经成熟的飞秒激光频率梳技术，就可以实现光频原子钟。在具体的应用方面，利用原子跃迁谱线实现的精密激光光谱稳频的激光标准对于相干光通信、雷达信号同步、光频原子钟等不同科学研究和应用领域都有着重要应用。

原子谱稳频激光标准的输出波长决定于所利用的原子、分子、离子跃迁能级对应的谱线波长，具有绝对确定值的内禀特性，即具体波长与其对应原子谱线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，已有较多不同原子的不同波长实现的稳频激光，但是对728nm波长，目前没有任何具体的相关报导。碱金属铯原子具有很低的熔点，非常容易通过玻璃汽室中的铯气体得到谱线，而728nm波段又有半导体激光器，此外为了实现铯原子的激发态728nm激光光谱，可以利用455nm激光泵浦而实现。

本发明中我们利用碱金属铯原子气体的气室，来构建一种728nm稳频激光标准及其方法。这种728nm波段的原子谱稳频激光标准及其方法，从未被提出或报道过，具有不同于以往原子稳频激光标准的新功能，可用于激光波长计的波长校准、相干光通信、雷达信号同步、光频原子钟等不同学科领域。

铯原子由于具有外壳层只有一个电子、能级结构较简单、熔点低、第一激发态对应波长的激光器较易获得等性能，在原子光谱和原子物理领域得到了深入的研究和广泛的应用，比如微波原子钟、国际单位秒定义的实现、激光冷却技术、原子干涉仪、原子磁力仪、原子滤光器等等。但是我们也注意到，铯原子激发态与激发态之间存在的728nm跃迁，其对用的激光光谱从来没有被研究过，也没有以此发展出相关的应用。然而，随着基础科学和应用技术的发展，以及各种不同应用场景需求的提高和普及，越来越需要不同波长的稳频激光标准提供确定波长的绝对标准。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种结构简单，易于实现，性能稳定的728nm稳频激光标准产生装置及其方法。

本发明的728nm稳频激光标准产生装置，包括：

一台455nm波长的泵浦激光器；

一台728nm波长的半导体激光器；

一个具有碱金属铯原子的玻璃气室；

一个磁场屏蔽盒，用于对所述碱金属铯原子玻璃气室的地球磁场的隔离；

一个温度控制电路，用于控制所述碱金属铯原子的玻璃气室的温度控制和稳定；以及

一个锁屏电路，用于将728nm波长的半导体激光器的频率锁定在铯原子的5D激发态到到6F激发态之间的728nm激光光谱线上。

作为优选：所述温度控制电路包括加热部分和测温部分，用于稳定铯原子气室工作时碱金属铯原子蒸汽的温度，其加热部分对铯原子气体玻璃气室5的进行加热，并保证没有铯原子金属凝结到玻璃气室5的两个端面上阻碍光通过；测温部分紧贴铯原子玻璃气室进行温度测量。

作为优选：所述温度控制电路的加热部分为加热丝或加热芯片方式加热，测温部分为热敏电阻或热电偶测温。

作为优选：所述磁场磁屏蔽盒为5mm到9mm厚生铁材质的盒子，两端面开有通光孔。

这种728nm稳频激光标准产生装置的方法，包括如下步骤：

1)在地球磁场隔离的条件下，使用充有碱金属铯原子的控温玻璃气室；

2)调节优化好所述一台455nm波长的泵浦激光器，激发铯原子玻璃气室中的原子，将之从6S基态泵浦到7P态，并让铯原子自发辐射回落到5D态；

3)调节优化好所述一台728nm波长的半导体激光器,利用双色镜让728nm激光光束与通过铯原子气室的455nm激光光束方向相反，又在空间上重叠。利用温度控制电路系统对所述碱金属铯原子的玻璃气室进行温度控制，让5D态的原子在728nm半导体激光的作用之下激发到6F态得到728nm激光光谱线，达到728nm激光光谱信号效果在最优的条件；

4)调节优化728nm激光光谱信号后，利用稳频电路，将728nm半导体激光的频率稳频在

铯原子的728nm激光光谱信号上，从而实现一种728nm稳频激光标准。

作为优选：步骤1)中铯原子玻璃气室5内充入100微克以上的碱金属铯原子气体。

本发明的有益效果是：本发明利用了碱金属铯原子高激发态谱线存在窄线宽728nm能级跃迁谱线结构的特性，利用在455nm波长激光泵浦，实现了一种基于碱金属铯原子气室的一种728nm稳频激光标准产生装置，并提供了其实现方法。本发明的基于碱金属铯原子的一种728nm稳频激光标准，原理明晰，结构简单，易于实现，性能稳定，对特殊条件下的激光波长计的波长校准、相干光通信、雷达信号同步、光频原子钟等不同学科领域都具有重要应用意义。

附图说明

图1为本发明728nm稳频激光标准产生装置结构示意图；

图2为本发明实施例的铯原子728nm相关能级结构示意图。

图3为锁定稳频后728nm稳频激光光谱图。

附图标记说明：泵浦激光器1；第一双色镜2，第二双色镜3；半导体激光器4；气室5；磁屏蔽盒6；光电探测器7；锁频电路8。

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。

如图1至图3所示，将一台455nm泵浦激光器1输出的455nm激光束经过第一双色镜2，到达处于磁屏蔽盒6中的温控碱金属铯原子玻璃气室5，接着由第二双色镜3反射出光路，所述455nm波长的泵浦激光器波长调节至铯原子6S基态泵浦到7P态的跃迁谱线并锁定。调节一台728nm波长的半导体激光器4,用双色镜让728nm激光光束与通过铯原子气室的455nm激光光束方向相反但又在空间上光束重叠，让728nm激光通过第二双色镜3后由光电探测器7接受信号后输给锁频电路8，用于锁定728nm波长的半导体激光器4。利用温度控制电路系统对所述碱金属铯原子的玻璃气室5进行温度控制，达到728nm激光光谱信号效果在最优的条件，并让自发辐射回落到5D态的铯原子在728nm半导体激光的作用之下激发到6F态得到728nm激光光谱线。上述728nm波长的半导体激光器4由光电探测器7接受信号后由锁频电路8锁定稳频后，就实现了一种728nm稳频激光标准。

温度控制电路包括加热部分和测温部分，用于稳定铯原子气室5工作时碱金属铯原子蒸汽的温度，其加热部分对铯原子气体玻璃气室5的进行加热，并保证没有铯原子金属凝结到玻璃气室5的两个端面上阻碍光通过；测温部分紧贴铯原子玻璃气室5进行温度测量。

在上述实施例中，磁场磁屏蔽盒6是由5mm到9mm厚的生铁制作的盒子，两端面开有通光孔。

在上述实施例中，光学反射镜和铯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，铯原子玻璃气室5内充入100微克以上的碱金属铯原子气体。

为应用上述一种728nm稳频激光标准的方法，包括如下实施步骤：

步骤1：利用一个处于磁屏蔽盒6中充有碱金属铯原子的温控玻璃气室5，由一台455nm波长的泵浦激光器1，将铯原子从6S基态泵浦到7P态的跃迁谱线并锁定；

步骤2：利用一台728nm波长的半导体激光器4，并用双色镜让728nm激光光束与通过铯原子气室5的455nm激光光束方向相反但又在空间上光束重叠，让728nm激光通过双色镜后由光电探测器接受铯原子从5D态到6F态跃迁的728nm激光光谱线信号，由锁频电路8锁定稳频后实现了一种728nm稳频激光标准。

上述实施例的基于碱金属铯原子一种728nm稳频激光标准，利用温度控制电路对碱金属铯原子玻璃气室5进行温控提高激光标准系统稳定性。

Claims (6)

1.一种728nm稳频激光标准产生装置，其特征在于，包括： 

一台455nm波长的泵浦激光器； 

一台728nm波长的半导体激光器； 

一个具有碱金属铯原子的玻璃气室； 

一个磁场屏蔽盒，用于对所述碱金属铯原子玻璃气室的地球磁场的隔离； 

一个温度控制电路，用于控制所述碱金属铯原子的玻璃气室的温度控制和稳定；以及 

一个锁屏电路，用于将728nm波长的半导体激光器的频率锁定在铯原子的5D激发态到到6F激发态之间的728nm激光光谱线上。 

2.根据权利要求1所述的728nm稳频激光标准产生装置，其特征在于：所述温度控制电路包括加热部分和测温部分，用于稳定铯原子气室工作时碱金属铯原子蒸汽的温度，其加热部分对铯原子气体玻璃气室5的进行加热，并保证没有铯原子金属凝结到玻璃气室5的两个端面上阻碍光通过；测温部分紧贴铯原子玻璃气室进行温度测量。 

3.根据权利要求1所述的728nm稳频激光标准产生装置，其特征在于：所述温度控制电路的加热部分为加热丝或加热芯片方式加热，测温部分为热敏电阻或热电偶测温。 

4.根据权利要求1所述的728nm稳频激光标准产生装置，其特征在于：所述磁场磁屏蔽盒为5mm到9mm厚生铁材质的盒子，两端面开有通光孔。 

5.一种权利要求1所述的728nm稳频激光标准产生装置的方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1)在地球磁场隔离的条件下，使用充有碱金属铯原子的控温玻璃气室； 

2)调节优化好所述一台455nm波长的泵浦激光器，激发铯原子玻璃气室中的原子，将之从6S基态泵浦到7P态，并让铯原子自发辐射回落到5D态； 

3)调节优化好所述一台728nm波长的半导体激光器,利用双色镜让728nm激光光束与通过铯原子气室的455nm激光光束方向相反，又在空间上重叠；利用温度控制电路系统对所述碱金属铯原子的玻璃气室进行温度控制，让5D态的原子在728nm半导体激光的作用之下激发到6F态得到728nm激光光谱线，达到728nm激光光谱信号效果在最优的条件； 

4)调节优化728nm激光光谱信号后，利用稳频电路，将728nm半导体激光的频率稳频在铯原子的728nm激光光谱信号上，从而实现一种728nm稳频激光标准。 

6.根据权利要求5所述的混合气体多波段原子滤光器方法，其特征在于：步骤1)中铯原子玻璃气室5内充入100微克以上的碱金属铯原子气体。