CN106099627A - 一种利用f‑p干涉仪增强光泵浦效率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于原子传感器件光泵浦结构设计，属于光学结构设计领域。本发明针对低功率激光器条件下，提高光泵浦效率的问题，设计了利用F‑P干涉仪改进的光泵浦结构。在本发明提出的光泵浦结构中，激光在F‑P干涉仪的作用下多次通过原子气室，实际上通过原子气室的光强远大于激光器出射光强。本发明结构简单，在低功率激光驱动下获得了较高的光泵浦效率，对于实现低功耗高性能的原子传感器具有有重要意义。

Description

一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的装置及方法
技术领域
本发明属于原子传感器领域，具体涉及一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的装置及方法。
背景技术
近些年来，随着量子理论、原子操控、现代光学以及微加工技术的发展，原子传感器在现代科学和技术中得到越来越广泛的应用，从对人类大脑的研究到对运动物体的导航级精确测量都能发现他们的身影。国内外越来越多的机构也相继开展原子加速度计，原子磁力仪，原子陀螺等的研究。在这些原子传感器件中，原子池是它们的核心组成部分。一般地，原子气室内包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体。根据不同的应用要求，有的传感器是通过光泵浦极化碱金属原子直接作为敏感原子，有的传感器则通过光泵浦极化碱金属，再经过自旋交换碰撞作用，将碱金属极化传递给惰性气体原子，再将极化的惰性气体原子作为敏感原子进行物理量的探测。
在典型的光泵浦作用中，圆偏振光被原子气室中的碱金属原子吸收，光子的角动量传递给碱金属原子，从而使碱金属原子最外层电子实现自旋极化。由于极化的碱金属原子是原子传感器实现探测的基础，光泵浦的效果从根本上限制了原子器件的性能。光泵浦从根本上是光与原子的相互作用，因此影响光泵浦效果的因素主要有两个方面：光和碱金属。在典型的光泵浦实验中，原子气室内的碱金属原子一般处于饱和蒸汽压，碱金属原子的浓度仅与温度有关。也就是说，光是限制光泵浦效果的关键因素。
本发明提出了一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的装置及方法，通过光路结构的创新实现低耗能下光泵浦效率的提高，对于提高原子传感器的性能具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的装置及方法，以实现低能耗、高效率的光泵浦过程。
本发明采用的技术方案为：一种利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，包括激光器1、起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、F-P干涉仪5、原子气室6(内含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体)、聚焦透镜7、光电探测器8、处理系统9及F-P干涉仪控制器10。
所述激光器1出射的激光经过起偏器2和四分之一波片3后转化为圆偏振光，通过由透镜组组成的扩束系统4扩束后进入F-P干涉仪5内，原子气室6置于F-P干涉仪5轴向中心位置；F-P干涉仪控制器10输出锯齿波控制F-P干涉仪5腔长。通过F-P干涉仪5的光信号经过聚焦透镜7后被光电探测器8接收并反馈给处理系统9，处理系统9计算后控制F-P干涉仪控制器10输出的锯齿波偏置和幅值。F-P干涉仪5、光电探测器8、F-P干涉仪控制器10均在处理系统9的控制下同步工作。
所述激光器1采用分布式反馈稳频激光器。
所述的F-P干涉仪5两端均贴有压电陶瓷，通过对压电陶瓷施加电压调节F-P干涉仪5的腔长。
所述F-P干涉仪控制器10输出锯齿波控制F-P干涉仪5两端的压电陶瓷，实现对F-P干涉仪5腔长的控制。
所述处理系统9包含数据采集处理模块、输出控制模块和计算机。数据采集模块采集光电探测器8接收的光信号；计算机将光信号与F-P干涉仪控制器10输出的锯齿波信号比较，得到新的扫描锯齿波的幅值和偏置；输出控制模块将新的扫描锯齿波的幅值和偏置输出给F-P干涉仪控制器10，产生新的扫描锯齿波。
本发明还提供一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，搭建利用F-P干涉仪增强光泵浦效率装置的光路平台。激光器1输出光束经过起偏器2和四分之一波片3后转化为圆偏振光，通过由透镜组组成的扩束系统4扩束后进入F-P干涉仪5内，包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体的原子气室6置于F-P干涉仪5轴向中心位置。通过F-P干涉仪5的光信号经过聚焦透镜7后被光电探测器8接收。
步骤二，调节F-P干涉仪5腔长使F-P干涉仪5出光。调节F-P干涉仪控制器10输出锯齿波的偏置，从而调节F-P干涉仪5腔长，使光电探测器8探测到光信号。
步骤三，F-P干涉仪5稳定出光。通过逐渐调整F-P干涉仪控制器10输出锯齿波的偏置使光电探测器8的信号峰值一直处于扫描锯齿波上升沿的中心点；通过减小扫描锯齿波的幅值使光电探测器8的信号峰宽度不断增大。最终，当扫描锯齿波幅值为零时，F-P干涉仪5稳定出光，激光在F-P腔的作用下多次通过原子气室6，从而通过原子气室6的光功率远大于激光器出射光功率，从而实现了在低功率激光驱动下获得较高的光泵浦效率。
本发明的有益效果为：激光在F-P干涉仪的作用下多次通过原子气室，实际上通过原子气室的光功率远大于激光器出射光功率，从而实现了在低功率激光驱动下获得高效的光泵浦效率。
附图说明
图1为利用F-P干涉仪增强光泵浦效率装置的结构示意图；
其中，1.激光器，2.起偏器，3.四分之一波片，4.扩束系统，5.F-P干涉仪，6.原子气室，7.聚焦透镜，8.光电探测器，9.处理系统，10.F-P干涉仪控制器；
图2为驱动F-P干涉仪的锯齿波与光电探测器得到的扫描信号之间的关系；
其中，Ⅰ.驱动F-P干涉仪的锯齿波，Ⅱ.光电探测器得到的扫描信号；
具体实施方式
参见附图1，本发明所述的利用F-P干涉仪增强光泵浦效率装置包括：光器1、起偏器2、四分之一波片3、扩束系统4、F-P干涉仪5、原子气室6(内含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体)、聚焦透镜7、光电探测器8、处理系统9和F-P干涉仪控制器10。其中，激光器1发出的激光经过起偏器2和四分之一波片3后转化为圆偏振光，通过扩束系统4后进入F-P干涉仪5内部，辐照原子气室6。通过F-P干涉仪控制器10的光信号经过聚焦透镜7后被光电探测器8接收并反馈给处理系统9，处理系统9计算后控制F-P干涉仪控制器10输出的锯齿波的偏置和幅值。F-P干涉仪5由F-P干涉仪控制器10输出的锯齿波信号驱动进行腔长扫描。
本实施方式中，所述激光器1采用分布式反馈稳频激光器，波长为795nm，包括激光器驱动电源和激光头两部分。
所述的F-P干涉仪5两端贴有压电陶瓷，能够通过对压电陶瓷施加电压调节F-P干涉仪5腔长。
所述F-P干涉仪控制器10输出锯齿波控制F-P干涉仪5两端的压电陶瓷，实现对F-P干涉仪5腔长的控制。
所述处理系统9包含数据采集处理模块、输出控制模块和计算机。数据采集模块采集光电探测器8接收的光信号；计算机将光信号与F-P干涉仪控制器10输出的锯齿波信号比较，得到新的扫描锯齿波的幅值和偏置；输出控制模块将新的扫描锯齿波的幅值和偏置输出给F-P干涉仪控制器10，产生新的扫描锯齿波。
附图2为驱动F-P干涉仪的锯齿波与光电探测器得到的扫描信号之间的关系，Ⅰ为驱动F-P干涉仪的锯齿波，Ⅱ为光电探测器得到的扫描信号。每次F-P干涉仪5的腔长扫描至激光半波长的整数倍时，激光能几乎完全通过F-P干涉仪5，其它时候激光几乎不能通过F-P干涉仪5。当控制F-P干涉仪5的扫描范围不超过半个波长时，在每个锯齿波的上升沿，可以得到一个信号峰值。信号经过处理器9处理并反馈到F-P干涉仪控制器10。通过逐渐调整锯齿波的偏置使光电探测器8的信号峰值一直处于扫描锯齿波上升沿的中心点；通过减小扫描锯齿波的幅值使光电探测器8的信号峰宽度不断增大。最终，当扫描锯齿波幅值为零时，F-P干涉仪5稳定出光。此时激光在F-P干涉仪的作用下多次通过原子气室，辐照原子气室的等效光功率大大增强。

Claims (6)

1.一种利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，其特征在于：所述装置包括激光器(1)、起偏器(2)、四分之一波片(3)、扩束系统(4)、F-P干涉仪(5)、包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体的原子气室(6)、聚焦透镜(7)、光电探测器(8)、处理系统(9)及F-P干涉仪控制器(10)；
所述激光器(1)出射的激光经过起偏器(2)和四分之一波片(3)后转化为圆偏振光，通过由透镜组组成的扩束系统(4)扩束后进入F-P干涉仪(5)内，原子气室(6)置于F-P干涉仪(5)轴向中心位置；F-P干涉仪控制器(10)输出锯齿波控制F-P干涉仪(5)腔长；通过F-P干涉仪(5)的光信号经过聚焦透镜(7)后被光电探测器(8)接收并反馈给处理系统(9)，处理系统(9)计算后控制F-P干涉仪控制器(10)输出锯齿波的偏置和幅值；F-P干涉仪(5)、光电探测器(8)、F-P干涉仪控制器(10)均在处理系统(9)的控制下同步工作。
2.根据权利要求1所述利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，其特征在于：所述激光器(1)采用分布式反馈稳频激光器。
3.根据权利要求1所述利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，其特征在于：所述F-P干涉仪(5)两端均贴有压电陶瓷，通过对压电陶瓷施加电压调节F-P干涉仪(5)的腔长。
4.根据权利要求3所述利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，其特征在于：所述F-P干涉仪控制器(10)输出锯齿波控制F-P干涉仪(5)两端的压电陶瓷，实现对F-P干涉仪(5)腔长的控制。
5.根据权利要求1所述利用F-P干涉仪来提高光泵浦效率的装置，其特征在于：所述处理系统(9)包含数据采集处理模块、输出控制模块和计算机；所述数据采集模块采集光电探测器(8)接收的光信号；计算机将光信号与F-P干涉仪控制器(10)输出的锯齿波信号比较，得到新的扫描锯齿波的幅值和偏置；输出控制模块将新的扫描锯齿波的幅值和偏置输出给F-P干涉仪控制器(10)，产生新的扫描锯齿波。
6.一种利用F-P干涉仪增强光泵浦效率的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，搭建如权利要求1所述利用F-P干涉仪增强光泵浦效率装置的光路平台：激光器(1)输出光束经过起偏器(2)和四分之一波片(3)后转化为圆偏振光，通过由透镜组组成的扩束系统(4)扩束后进入F-P干涉仪(5)内，包含碱金属气体、惰性气体和缓冲气体的原子气室(6)置于F-P干涉仪(5)轴向中心位置；通过F-P干涉仪(5)的光信号经过聚焦透镜(7)后被光电探测器(8)接收；
步骤二，调节F-P干涉仪(5)腔长使F-P干涉仪(5)出光：调节F-P干涉仪控制器(10)输出锯齿波的偏置，从而调节F-P干涉仪(5)腔长，使光电探测器(8)探测到光信号；
步骤三，F-P干涉仪(5)稳定出光：通过逐渐调整F-P干涉仪控制器(10)输出锯齿波的偏置使光电探测器(8)的信号峰值一直处于扫描锯齿波上升沿的中心点；通过减小扫描锯齿波的幅值使光电探测器(8)的信号峰宽度不断增大；最终，当扫描锯齿波幅值为零时，F-P干涉仪(5)稳定出光，激光在F-P腔的作用下多次通过原子气室(6)，从而通过原子气室)(6)的光功率远大于激光器出射光功率，从而实现了在低功率激光驱动下获得较高的光泵浦效率。
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