CN104953460B - 一种双光子原子滤光器及其过滤光信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种双光子原子滤光器及其过滤光信号的方法，双光子原子滤光器依次包括第一起偏器、第一磁体、铷泡、第二磁体和第二起偏器；还包括用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器、聚焦透镜和高反镜；第一、第二磁体产生一轴向静磁场，方向与铷泡的滤光方向平行；铷泡置于轴向静磁场内，轴向静磁场的方向与铷泡的滤光方向平行，由塞曼效应造成原子能级分裂，使得目标光信号经过所述原子滤光器过滤时，在泵浦光作用下在双光子跃迁谱位置产生透射峰，输出与泵浦光相同波段的光信号。本发明提供通带带宽窄，可应用在超高精密激光光谱稳频和新型光钟领域。

Description

一种双光子原子滤光器及其过滤光信号的方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，涉及一种利用原子的双光子跃迁在磁场中产生的反常色散现象进行滤光的原子滤光器及使用该滤光器过滤光信号的方法。

背景技术

光信号容易受杂散光的干扰，滤光器的作用就是屏蔽信号光频率以外的其他频率的干扰光，因此在特殊波长信号的获取应用上必不可少。利用原子色散效应的滤光器相比利用原子吸收效应的滤光器来说，具有响应速度快，透过率大的特点，相比现有的干涉滤光片以及双折射晶体滤光器来说又具有更窄的带宽，更好的边带抑制比，更大的视场角度，更大的透过率，并且工作频率在一定范围内可调谐，在光通信领域有着很大的发展优势。778纳米是铷原子的重要双光子跃迁谱线，对铷原子激光精密激光光谱和作为光通信波长倍频参考波长标准均有重要应用意义。对于778纳米波段来说，其能级5S1/2-5D5/2的跃迁频率分别是778.105nm(真空波长)，铷原子的这个778纳米跃迁属于双光子跃迁，其自然线宽只有300kHz左右，因此，铷原子的778纳米双光子跃迁是一个很好的选择。到目前为止，国际上所有的原子滤光器系统中，都是基于对原子的单光子共振光进行选频的，能实现的滤光器通带的带宽较宽，通带宽度一般在500MHz到2GHz附近。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双光子原子滤光器及其过滤光信号的方法，基于对原子的双光子共振光进行选频，制备应用基于原子双光子跃迁的法拉第反常色散效应双光子原子滤光器，能实现的滤光器通带的带宽比现有的原子滤光器窄，可应用在超高精密激光光谱稳频和新型光钟领域。

本发明的原理是：由于铷原子对原泵浦激光的双光子共振吸收，由塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，使得目标光信号经过原子滤光器时，在泵浦激光作用下，对原子的双光子共振光进行选频，通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号，在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生透射峰，目标光信号经过双光子原子滤光器过滤后，输出与泵浦激光相同波段的目标光信号。

本发明提供的技术方案是：

一种双光子原子滤光器，依次包括第一起偏器1、第一磁体3、铷泡4、第二磁体5和第二起偏器7；所述铷泡4置于第一磁体3和第二磁体5之间，其中，第一磁体3和第二磁体5产生一轴向静磁场；所述铷泡4置于轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体3和第二磁体5的两端可透光；第一磁体3和第二磁体5的中间能透光，第一磁体3和第二磁体5极性相对放置；所述静磁场在与铷泡4的滤光方向平行和垂直的两个方向都有一定的磁场分量；所述第一起偏器1和第二起偏器7的偏振方向相互垂直正交；此外，双光子原子滤光器还包括用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器12、聚焦透镜2和高反镜6；聚焦透镜2置于第一起偏器1和第一磁体3之间，高反镜6置于铷泡4之后，第二起偏器(7)之前；泵浦激光器12产生的778nm泵浦激光从第一起偏器1入射，聚焦透镜2对泵浦光聚焦后透过第一磁体3、铷泡4和第二磁体5；再通过高反镜6反射后透过第二磁体5返回铷泡4；所述轴向静磁场的方向与铷泡4的滤光方向(也就是透光方向)平行，由塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，使得目标光信号经过所述原子滤光器过滤时，在泵浦激光作用下在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生透射峰，输出与所述泵浦激光相同波段的光信号。

针对上述双光子原子滤光器，进一步地，

第一起偏器件1和第二起偏器件7均为格兰棱镜；

第一磁体3和第二磁体5为环形永磁体，中间能透过泵浦光；第一磁体3和第二磁体5形成的轴向静磁场的大小和方向可通过调整第一磁体3和第二磁体5的位置来获得；

铷泡4为一圆柱形玻璃泡，玻璃泡中充有铷原子和缓冲气体，缓冲气体基本是惰性气体，如氩，氪、氙；铷泡4上固定有加热元件10，加热元件10可以是加热片；还可固定有控温装置(图中未显示)对加热元件10的加热温度进行控制，加热元件10和控温装置通过电线8与电路盒11电连接，电路盒11为其供电。

本发明还提供一种使用上述双光子原子滤光器过滤光信号的方法，该方法在778纳米光波段，由铷原子对泵浦激光的双光子共振吸收，对目标信号光通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号，得到与泵浦激光相同波段的光信号，其步骤包括：

1)在滤光光路中依次放置用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器12、第一起偏器1、聚焦透镜2、第一磁体3、铷泡4、第二磁体5、高反镜6和第二起偏器7；其中，所述铷泡4置于一轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体3和第二磁体5的两端可透光；所述第一起偏器1和第二起偏器7的偏振方向相互垂直正交；在泵浦激光器12产生的778nm泵浦光的作用下，入射的目标光信号在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生原子滤光器的透射峰输出；

2)通过一加热装置将所述铷泡4加热到设定温度范围内，并进行温度控制；

3)为所述铷泡4提供所需的磁场和温度，使铷泡4对目标信号光的偏振面进行偏转；

所需的磁场是均匀的，方向和通光方向一致的静磁场。

4)调整铷泡4的温度和磁场，在第一起偏器1、第二起偏器7之间，使信号光的偏振偏转角增加，尽可能接近90°，使得环境光因为未被选择进行偏振旋转，而被相互垂直的偏振片滤除，从而在第二偏振片7之后得到滤光后的目标信号光。

进一步的，步骤1)所述泵浦激光器12产生的778nm泵浦激光可经过一个反射镜从第一起偏器1入射；入射角度基本沿水平轴向；泵浦激光的入射角度与目标光信号的入射角度有一个夹角(小于45°)。

进一步的，步骤1)所述轴向静磁场的方向与铷泡4的滤光方向平行，所述轴向静磁场由第一磁体3和第二磁体5形成，通过塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，在778nm泵浦激光作用下在双光子跃迁谱位置产生透射峰。

进一步的，将所述第一磁体3、第二磁体5(包括形成的静磁场)和铷泡4置于一磁屏蔽盒9内。

进一步的，步骤1)中，所述第一磁体和第二磁体极性相对，将第一磁体3和第二磁体5极性平行或垂直于所述铷泡4的滤光方向放置。

进一步的，步骤3)中，第一磁体3和第二磁体5形成的磁场的大小和方向可通过调整第一磁体3和第二磁体5的位置来获得；磁场的方向为滤光(透光)方向，大小为0-10高斯。

进一步的，两个偏振片处于相互垂直的偏振方向。

进一步的，步骤3)所述目标信号光以设定角度从所述第一起偏器1的入射面入射；其中，所述设定角度为信号光与入射面的夹角，设定为小于45°。

进一步的，调整静磁场和泵浦激光的光强和温度，使得泵浦激光中的双光子共振频率的光发生偏振偏转最大，并使得该频率的光在之前所述的两个相互垂直的偏振片之间的旋转角尽可能优化到最大，使所述铷泡的滤光效果达到最大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

现有的基于对原子的单光子共振光进行选频的原子滤光器系统能实现的滤光器通带的带宽较宽，通带宽度一般在500MHz到2GHz附近。相比现有的原子滤光器系统，本发明基于对原子的双光子共振光进行选频，提供了应用原子双光子跃迁的法拉第反常色散效应双光子原子滤光器，其能实现的滤光器通带的带宽比已有的原子滤光器窄很多，带宽小于10MHz；优选为约1MHz。窄带宽能非常有效地仅让信号光通过，而滤除掉其他频率域上不需要的噪声。带宽越窄，滤光效果越好。本发明的双光子原子滤光器可在超高精密激光光谱稳频和新型光钟领域得到重要应用。

附图说明

图1是本发明实施例中实施铷原子778nm双光子原子滤光器的结构图；

其中，1—第一起偏器件；2—聚焦透镜；3—第一永磁体；4—铷泡；5—第二永磁体；6—高反镜；7—第二起偏器件；8—电线；9—磁屏蔽外壳；10—加热元件；11—电路盒；12—泵浦激光器；13—反射镜；14—入射的泵浦激光；15—入射的目标光信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种双光子原子滤光器，依次包括第一起偏器1、第一磁体3、铷泡4、第二磁体5和第二起偏器7；所述铷泡4置于第一磁体3和第二磁体5之间，其中，第一磁体3和第二磁体5产生一轴向静磁场；所述铷泡4置于轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体3和第二磁体5的两端可透光；第一磁体3和第二磁体5的中间能透过泵浦光，第一磁体3和第二磁体5极性相对放置；所述静磁场在与铷泡4的滤光方向平行和垂直的两个方向都有一定的磁场分量；所述第一起偏器1和第二起偏器7的偏振方向相互垂直正交；此外，双光子原子滤光器还包括用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器12、聚焦透镜2和高反镜6；聚焦透镜2置于第一起偏器1和第一磁体3之间，高反镜6置于铷泡4之后；泵浦激光器12产生的778nm泵浦激光从第一起偏器1入射，聚焦透镜2对泵浦光聚焦后透过第一磁体3、铷泡4和第二磁体5；再通过高反镜6反射后透过第二磁体5返回铷泡4；所述轴向静磁场的方向与铷泡4的滤光方向(也就是透光方向)平行，由塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，使得目标光信号经过所述原子滤光器过滤时，在泵浦激光作用下在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生透射峰，输出与所述泵浦激光相同波段的光信号。

本发明还提供一种使用上述双光子原子滤光器过滤光信号的方法，该方法在光波段778纳米波段，对目标信号光，即双光子共振吸收光，通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号，其步骤包括：

1)在滤光光路中依次放置用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器12、第一起偏器1、聚焦透镜2、第一磁体3、铷泡4、第二磁体5、高反镜6和第二起偏器7；其中，所述铷泡4置于一轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体3和第二磁体5的两端可透光；所述第一起偏器1和第二起偏器7的偏振方向相互垂直正交；在泵浦激光器12产生的778nm泵浦光的作用下，入射的目标信号光在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生原子滤光器的透射峰输出；

2)通过一加热装置将所述铷泡4加热到设定温度范围内，并进行温度控制；

3)为所述铷泡4提供所需的磁场和温度，使铷泡4对目标信号光的偏振面进行偏转；

所需的磁场是均匀的，方向和通光方向一致的静磁场。

4)调整铷泡4的温度和磁场，在第一起偏器1、第二起偏器7之间，使信号光的偏振偏转角增加，尽可能接近90°，使得环境光因为未被选择进行偏振旋转，而被相互垂直的偏振片滤除，从而在第二偏振片7之后得到滤光后的目标信号光。

具体地，本发明的一种实施结构图如图1所示，永磁体3和5为环形，中间能透过泵浦光，第一永磁铁3和第二永磁铁5极性相对放置。磁场的不同大小和方向可通过调整第一永磁铁3和第二永磁铁5的位置来获得。所述静磁场在与铷泡4的滤光方向平行和垂直的两个方向都有一定的磁场分量。

第一永磁铁3和第二永磁铁5之间为铷泡4，铷泡4为一圆柱形玻璃泡，玻璃泡中充有铷原子和缓冲气体，缓冲气体基本是惰性气体，如氩，氪、氙；铷泡4上固定有加热元件10，可以是加热片，还固定有控温装置(图中未显示)对加热温度进行控制，加热元件10和控温装置通过电线8与电路盒11电连接，电路盒11为其供电。

上述结构皆置于一磁屏蔽外壳9内，磁屏外壳9两侧壁上各有一套筒(图中未显示)，套筒中各有一起偏器件，为第一起偏器件1和第二起偏器件7，第一起偏器件1和第二起偏器件7的起偏方向需使非共振的光的消光比达到最优状态。第一起偏器件1和第二起偏器件7为格兰棱镜。

本发明实施例中，采用以上双光子原子滤光器滤出778nm信号光的方法具体包括如下步骤：

1)根据铷泡4中的铷原子以及其工作能态确定最佳的两个方向磁场分量大小，调整滤光器第一永磁铁3和第二永磁铁5的位置，调节静磁场的两个方向分量大小使滤光效果达到最大，一般当静磁场的方向与光矢量方向完全平行时称为法拉第(Faraday)滤光器，滤光效果达到最大；

2)电路盒11为加热元件10供电，使铷泡4加热到设定温度，通过控温装置对温度进行控制；

设定温度需要在200到400摄氏度之间可调节，用于优化效果。

3)需过滤的信号光从第一起偏器件1入射后，穿过受泵浦光作用的铷泡4发生偏振面的旋转，设定参数(主要指铷泡的温度和所加的磁场：温度稳固在200-400摄氏度之间，磁场在0-10高斯之间)使得信号光的偏振面旋转角度最大化，尽可能接近90°，当需过滤的信号光透过第二起偏器件7时，非信号光波长的光将被滤除，获得需要频率的信号光。需过滤的信号光可以沿着滤光器的图1所示的光传播方向入射，也可以有一定的相对此方向的入射角，大约45°以内。

上述双光子原子滤光器实施例仅是为了说明本发明的原理，而不是用于限制本发明的范围。本发明中所有的光学原件及其镀膜必需满足双光子跃迁的具体波长参数要求。本领域的相关技术人员可在不违背本发明的技术原理及精神下，对上述实施例作修改与变化，比如可以利用其它碱金属铯的双光子跃迁谱线，或者其他原子的双光子跃迁谱线，达到其它原子不同波长的双光子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)

1.一种双光子原子滤光器，依次包括第一起偏器(1)、第一磁体(3)、铷泡(4)、第二磁体(5)和第二起偏器(7)；所述铷泡(4)置于第一磁体(3)和第二磁体(5)之间；第一磁体(3)和第二磁体(5)产生一轴向静磁场；所述铷泡(4)置于轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体(3)和第二磁体(5)的两端可透光；第一磁体(3)和第二磁体(5)极性相对放置，中间均能透光；所述静磁场在与铷泡(4)的滤光方向平行和垂直的两个方向都有磁场分量；所述第一起偏器(1)和第二起偏器(7)的偏振方向相互垂直正交；其特征是，

所述双光子原子滤光器还包括用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器(12)、聚焦透镜(2)和高反镜(6)；所述聚焦透镜(2)置于第一起偏器(1)和第一磁体(3)之间，所述高反镜(6)置于铷泡(4)和第二起偏器(7)之间；泵浦激光器(12)产生的778nm泵浦光从第一起偏器(1)入射，聚焦透镜(2)对泵浦光聚焦后透过第一磁体(3)、铷泡(4)和第二磁体(5)；再通过高反镜(6)反射后透过第二磁体(5)返回铷泡(4)；所述轴向静磁场的方向与铷泡(4)的透光方向平行，铷原子对原泵浦激光进行双光子共振吸收，由塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，使得目标光信号经过所述原子滤光器过滤时，在泵浦激光作用下，对原子的双光子共振光进行选频，通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号，在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生透射峰，光信号经过双光子原子滤光器过滤后，输出与所述泵浦激光相同波段的光信号；所述双光子原子滤光器透射带宽小于10MHz。

2.如权利要求1所述双光子原子滤光器，其特征是，所述第一磁体(3)和第二磁体(5)为环形永磁体；所述轴向静磁场的大小和方向通过调整第一磁体(3)和第二磁体(5)的位置获得。

3.如权利要求1所述双光子原子滤光器，其特征是，所述铷泡(4)为一圆柱形玻璃泡，玻璃泡中充有铷原子和缓冲气体。

4.如权利要求1所述双光子原子滤光器，其特征是，所述铷泡(4)上固定加热元件(10)，加热元件(10)通过电线(8)与电路盒(11)电连接。

5.一种使用双光子原子滤光器过滤光信号的方法，在778纳米光波段，由铷原子对泵浦激光的双光子共振吸收，由塞曼效应造成原子能级分裂，通过法拉第效应，使得目标光信号经过所述原子滤光器过滤时，在泵浦激光作用下，对原子的双光子共振光进行选频，对目标信号光通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号，在泵浦光的双光子跃迁谱位置产生透射峰，光信号经过双光子原子滤光器过滤后，得到与泵浦激光相同波段的光信号，透射带宽小于10MHz；其步骤包括：

1)在滤光光路中依次放置用于产生778nm泵浦激光的泵浦激光器(12)、第一起偏器(1)、聚焦透镜(2)、第一磁体(3)、铷泡(4)、第二磁体(5)、高反镜(6)和第二起偏器(7)；所述第一起偏器(1)和第二起偏器(7)的偏振方向相互垂直正交；所述铷泡(4)置于一轴向静磁场内，且靠近所述第一磁体(3)和第二磁体(5)的两端可透光；所述泵浦激光器(12)产生的778nm泵浦光从第一起偏器(1)入射，聚焦透镜(2)对泵浦光聚焦后透过第一磁体(3)、铷泡(4)和第二磁体(5)；再通过高反镜(6)反射后透过第二磁体(5)返回铷泡(4)；所述轴向静磁场的方向与铷泡(4)的透光方向平行；在泵浦激光器(12)产生的778nm泵浦光的作用下，由铷泡(4)中的铷原子对泵浦激光的双光子共振吸收，对目标信号光通过双光子原子滤光器的法拉第反常色散效应过滤光信号；

2)通过一加热装置将所述铷泡(4)加热到设定温度范围内，并进行温度控制；

3)目标信号光从第一起偏器(1)入射；为所述铷泡(4)提供所需的磁场和温度，使铷泡(4)对目标信号光的偏振面进行偏转；

4)调整铷泡的温度和磁场，在第一起偏器(1)、第二起偏器(7)之间，使信号光的偏振偏转角增加，尽可能接近90°，使得环境光因为未被选择进行偏振旋转，而被相互垂直的偏振片滤除，从而在第二偏振片(7)之后得到滤光后的目标信号光。

6.如权利要求5所述双光子原子滤光器过滤光信号的方法，其特征是，将所述第一磁体(3)、第二磁体(5)和铷泡(4)置于一磁屏蔽盒(9)内。

7.如权利要求5所述双光子原子滤光器过滤光信号的方法，其特征是，步骤1)所述第一磁体(3)和第二磁体(5)极性相对，将第一磁体(3)和第二磁体(5)极性平行或垂直于所述铷泡的滤光方向放置。

8.如权利要求5所述双光子原子滤光器过滤光信号的方法，其特征是，步骤3)所述目标信号光以设定角度从所述第一起偏器(1)的入射面入射；所述设定角度为目标信号光与入射面的夹角为小于45°。