CN105762648B - 一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置 - Google Patents

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    • H01S5/0687—Stabilising the frequency of the laser

Abstract

本发明涉及一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，包括激光光源、分光镜、四分之一波片、原子气室、起偏器、反射镜、检偏器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中激光光源发出的激光通过分光镜分成两路，其中一路激光向外出射，另一路激光依次通过四分之一波片、原子气室和起偏器后到达反射镜，经反射镜反射后，沿原光路返回，依次经过起偏器、原子气室、四分之一波片、分光镜后到达检偏器，检偏器将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器和第二光电探测器分别接收，本发明增强了亚多普勒偏振光谱的稳定性和集成性，显著提高相关具体应用的精度、稳定度和集成度。

Description

一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置
技术领域
本发明涉及激光器频率稳定领域，具体涉及一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置。
背景技术
近年来，随着激光光源的不断发展，激光器已成为基础物理研究、精密测量和惯性导航等领域的重要组成部分。对于量子模拟、量子计算、原子钟、光钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、SERF陀螺仪和核磁共振陀螺仪等具体应用，频率稳定的激光光源都是核心部件。由于工作温度和工作电流的影响，自由运转的激光器的频率是不稳定的。利用原子的超精细能级结构光谱，将激光器的频率稳定在所需的共振跃迁线，是获得频率稳定的激光光源最为基本的手段。亚多普勒偏振光谱就是上述具体应用中最为常用的原子超精细能级结构光谱之一。
亚多普勒偏振光谱是利用线偏振探测光测量圆偏振泵浦光在原子气体中产生的非线性双折射效应而获得的原子色散光谱。由于泵浦光和探测光的偏振态和光强均有很大差异，亚多普勒偏振光谱存在相当数量用于偏振控制、光强控制、分束和合束的光学元件。过多的光学元件，引入了更多的噪声，增加了稳频光谱的空间体积，降低了稳频光谱的稳定性和集成性，影响了相关具体应用的精度、稳定度和集成度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，解决用于偏振控制、光强控制、分束和合束的光学元件所带来的问题，增强亚多普勒偏振光谱的稳定性和集成性，显著提高相关具体应用的精度、稳定度和集成度。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，包括激光光源、分光镜、四分之一波片、原子气室、起偏器、反射镜、检偏器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中反射镜、起偏器、原子气室、四分之一波片、分光镜、检偏器和第二光电探测器依次排布，且反射镜、起偏器、原子气室、四分之一波片、分光镜、检偏器和第二光电探测器的中心位于同一光轴，第一光电探测器设置在检偏器一侧，且第一光电探测器与检偏器的中心所在直线与所述光轴垂直，激光光源位于分光镜的一侧。
所述激光光源发出的激光通过分光镜分成两路，其中一路激光向外出射，另一路激光依次通过四分之一波片、原子气室和起偏器后到达反射镜，经反射镜反射后，沿原光路返回，依次经过起偏器、原子气室、四分之一波片、分光镜后到达检偏器，检偏器将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器和第二光电探测器分别接收。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，分光镜为非偏振分束器件，分光镜的分光比为1：9-1：99。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，反射镜为全反射镜或部分反射镜。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，全反射镜的反射率为99％，所述部分反射镜的反射率为10％-90％。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，原子气室内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，激光光源采用外腔式可调谐半导体激光器，输出偏振态为线偏振的激光。
在上述用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置中，四分之一波片将经过分光镜分光后的线偏振光转换为圆偏振光，所述起偏器将经过原子气室的圆偏振光转换为线偏振光。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明创新设计了一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，使用反射式光路代替传统亚多普勒偏振光谱的分束合束光路，同时，反射式光路中的四分之一波片和起偏器兼具偏振控制和光强控制功能，大幅精简了光学元件，减少了噪声源，降低了稳频光谱的空间体积,显著提高了稳频光谱的稳定性和集成性。
(2)、本发明反射式集成装置使用完全重合的泵浦光和探测光光路，增强了稳频光谱对光学元件振动噪声的抗扰能力，进一步提高了稳频光谱的稳定性。
(3)、本发明反射式集成装置相比传统分束合束式光谱技术，稳定性提高了约3倍，集成度提高了约1.7倍。
附图说明
图1为本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置原理图。
图2为本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的稳定性对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置原理图，本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，包括激光光源1、分光镜2、四分之一波片3、原子气室4、起偏器5、反射镜6、检偏器7、第一光电探测器8和第二光电探测器9，用于实现亚多普勒偏振光谱及其探测。
其中反射镜6、起偏器5、原子气室4、四分之一波片3、分光镜2、检偏器7和第二光电探测器9依次排布，且反射镜6、起偏器5、原子气室4、四分之一波片3、分光镜2、检偏器7和第二光电探测器9的中心位于同一光轴，即上述各器件的中心位于与光轴重合的同一直线上。第一光电探测器8设置在检偏器7一侧，且第一光电探测器8与检偏器(7)的中心所在直线与该光轴垂直，激光光源1位于分光镜2的一侧。
激光光源1发出的激光通过分光镜2分成两路激光，其中一路激光向外出射，另一路激光依次通过四分之一波片3、原子气室4和起偏器5后到达反射镜6，经反射镜6反射后，沿原光路返回，依次经过起偏器5、原子气室4、四分之一波片3、分光镜2后到达检偏器7，检偏器7将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器8和第二光电探测器9分别接收。
上述分光镜2为非偏振分束器件，分光镜2的分光比为1：9-1：99。
上述反射镜6为全反射镜或部分反射镜。全反射镜的反射率为99％，部分反射镜的反射率为10％-90％。
上述原子气室4内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。
上述激光光源1采用外腔式可调谐半导体激光器，输出偏振态为线偏振的激光。
上述四分之一波片3将经过分光镜2分光后的线偏振光转换为圆偏振光，所述起偏器5将经过原子气室4的圆偏振光转换为线偏振光。
本发明以分光镜2、四分之一波片3、原子气室4、起偏器5和反射镜6作为核心部件。激光光源1通过分光镜2，产生光谱分光和具体应用分光；光谱分光用于产生亚多普勒偏振光谱所需的泵浦光和探测光，具体应用分光用于产生量子模拟、量子计算、原子钟、光钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、SERF陀螺仪和核磁共振陀螺仪等具体应用所需的光与原子相互作用。光谱分光通过四分之一波片3产生圆偏振泵浦光，旋转四分之一波片3可以控制泵浦光的具体圆偏振态，在本实施例中使用左旋圆偏振泵浦光。泵浦光通过原子气室4，将布居在左旋圆偏振光共振吸收线对应的超精细结构能级基态上的原子抽运掉，使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在原子气体中的折射率产生变化，这就是原子介质中的非线性双折射效应。从原子气室4透射的泵浦光通过起偏器5，起偏器5在将透射光偏振态变为线偏振的同时，降低透射光的光强，产生线偏振探测光。之后，反射镜6使得线偏振探测光沿入射光路返回原子气室4，由于对射的泵浦光和探测光构成亚多普勒探测，得到的稳频光谱不受原子多普勒效应的影响。因为任意线偏振态均由左旋圆偏振态和右旋圆偏振态构成，所以通过原子气室4的线偏振探测光携带原子介质中非线性双折射效应的信息。从原子气室4透射的探测光依次通过四分之一波片3和分光镜2后，使用由检偏器7和光电探测器8、9构成的差分测量单元将探测光所携带的非线性双折射效应信息取出，获得原子色散光谱，即亚多普勒偏振光谱。亚多普勒偏振光谱由光电探测器8、9接收，转化为稳频光谱的电信号，用于激光光源1的频率稳定。
实施例1
激光光源1采用外腔式可调谐半导体激光器，型号为Toptica DL100，中心波长780.24nm，线宽4MHz，输出功率101mW，激光偏振态为线偏振；分光镜2为直径10mm的厚石英玻璃片，分光比1：99；四分之一波片3为直径10mm的真零级波片；原子气室4为10mm3石英玻璃腔，内封装铷原子蒸汽，但未加入缓冲气体，压强10-7Torr，提供原子光谱的非线性工作介质；起偏器5为10mm3正方体偏振分束棱镜，消光比>1000：1；反射镜6直径10mm，反射率为99％；检偏器7为10mm3正方体偏振分束棱镜，消光比>1000：1；第一光电探测器8和第二光电探测器9均采用thorlabs FDS02硅光电管，暗电流35pA(5V)。
如下表1所示为本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的集成度对比情况表，由表1可知，反射式集成装置的组件总数为9，尺寸(长×宽×高)为75mm×20mm×18mm，与传统分束合束式光谱相比，反射式集成装置的组件总数减少了25％，整体尺寸减少了60％，集成度显著提高了约1.7倍。
表1
本发明实施例1中的噪声源主要由两部分构成：(1)空气流动和平台震动产生的光学元件振动噪声。(2)激光光源1自由运转时，频率漂移产生的相位噪声。通过使用反射式集成装置进行频率稳定，这两种噪声都得到有效的抑制。如图2所示为本发明用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的稳定性对比图，使用干涉仪测量了具体实施例1和传统分束合束式光谱中的噪声，测量时间为450s。图2中信号1(图2中最上面的信号)为无稳频时传统分束合束式光谱中的噪声信号，图2中信号2(图2中中间的信号)为无稳频时具体实施例1的噪声信号，对比两组数据可知，传统分束合束式光谱中的振动噪声在反射式集成装置中得到了明显的抑制，无稳频时具体实施例1的噪声信号的缓慢变化是激光光源频率漂移的显著特征。图2中信号3(图2中最下面的信号)为稳频后具体实施例1的噪声信号，对比图2中的信号2可知，在利用原子光谱进行频率稳定之后，噪声信号中由频率漂移产生的慢变也得到了有效的抑制。因此，使用反射式集成装置，稳频光谱的稳定性得到了显著的提高，与传统分束合束式光谱相比，其噪声信号标准差降低了约3倍。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：包括激光光源(1)、分光镜(2)、四分之一波片(3)、原子气室(4)、起偏器(5)、反射镜(6)、检偏器(7)、第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，其中反射镜(6)、起偏器(5)、原子气室(4)、四分之一波片(3)、分光镜(2)、检偏器(7)和第二光电探测器(9)依次排布，且反射镜(6)、起偏器(5)、原子气室(4)、四分之一波片(3)、分光镜(2)、检偏器(7)和第二光电探测器(9)的中心位于同一光轴，第一光电探测器(8)设置在检偏器(7)一侧，且第一光电探测器(8)与检偏器(7)的中心所在直线与所述光轴垂直，激光光源(1)位于分光镜(2)的一侧；
所述激光光源(1)发出的激光通过分光镜(2)分成两路，其中一路激光向外出射，另一路激光依次通过四分之一波片(3)、原子气室(4)和起偏器(5)后到达反射镜(6)，经反射镜(6)反射后，沿原光路返回，依次经过起偏器(5)、原子气室(4)、四分之一波片(3)、分光镜(2)后到达检偏器(7)，检偏器(7)将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)分别接收；
所述分光镜(2)为石英玻璃片；
所述激光光源(1)输出偏振态为线偏振的激光。
2.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述分光镜(2)为非偏振分束器件，分光镜(2)的分光比为1：9-1：99。
3.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述反射镜(6)为全反射镜或部分反射镜。
4.根据权利要求3所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述全反射镜的反射率为99％，所述部分反射镜的反射率为10％-90％。
5.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述原子气室(4)内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。
6.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述激光光源(1)采用外腔式可调谐半导体激光器。
7.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒偏振光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述四分之一波片(3)将经过分光镜(2)分光后的线偏振光转换为圆偏振光，所述起偏器(5)将经过原子气室(4)的圆偏振光转换为线偏振光。
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