CN106200022B - 一种光纤原子滤光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤原子滤光装置，包括光纤耦合聚焦准直镜、第一偏振光纤、第一永磁体磁环、曰形纯铁框、保温盒、第一毛细管原子池、铠装双绞加热丝、第二永磁体磁环、第二偏振光纤、恒温器、电缆线、第三永磁体磁环、感温器、第二毛细管原子池、第四永磁体磁环、第三偏振光纤、光电探测器。使用两对永磁体磁环与曰形纯铁框匹配，分别为工作在同一温度环境的两个毛细管原子池提供磁场，微弱信号光与原子相互作用后，偏振面发生改变，同时利用三个偏振光纤低衰减地选偏微弱光信号和高消光比地消除背景光噪声。本发明结构简单，易操作、集成化、微型化，适用于自由空间微弱信号光的提取和测量。

Description

一种光纤原子滤光装置

技术领域

本发明涉及自由空间量子信息处理、激光通信、激光雷达和远程光信号的遥测等领域，具体涉及到超窄通带的一种光纤原子滤光装置，通过位于磁场中的原子与信号光的相互作用，以及光纤选偏技术，滤除背景（日光、灯光等）光噪声，适用于自由空间微弱信号光的提取和测量。

背景技术

在自由空间量子信息处理［Nature，509（2014），66.］、激光通信、大气钾或者钠荧光探测激光雷达［Scientific Reports., 4（2014），1.］等系统里，通常使用原子作为与信号光相互作用的媒介，滤除强的背景光噪声（例如，阳光、灯光等），使得微弱光信号能够被高通地传输和有效地观测。通常，使用原子蒸气泡＋放置在其两边的偏振方向相互垂直的格兰-汤普森棱镜，构成传统原子法拉第反常色散滤波器（Faraday anomalous dispersionoptical filtering）［Opt. Commun.,156（1998），289.］，利用了原子谱线特性构成的超窄滤波通道，其具有比干涉滤光片（～nm量级带宽）或者法布里-珀罗腔体等更窄的滤波线宽（～GHz或者更窄量级）、并且具有滤波的频率在一定范围内连续可调谐等特点。在量子通信的例子里，法拉第反常色散原子滤波器的传输特性和带外抑制比通常会影响其保真度［United States Patent No.: US 8031873］，在大多数环境中能够正常工作。但是，在对于阳光直射接收望远镜等一些特殊条件下，仍然会有背景光子没有被抑制，其产生了影响有效量子通信的高误码率［Applied Physics Letter, 89 19（2006），191121.］。

因此，发展、演示了例如拉曼光放大［Optics Express, 23 14（2015），17988.；Opt. Lett. 33(16), 1842–1844 (2008).；中国发明专利号：ZL 200810046862.2］、量子相干引导旋光［Chin. Opt. Lett. 9（2011），021405.；中国发明专利号：ZL 201110071387.6；ZL 200910273490.1］等一些原子滤波新方法、新器件，，它们表现出～MHz量级的滤光通带，能够更加有效地抑制背景光噪声，放大信号光或者光子信号。但是，随着科技日新月异地进步，进一步地发展新型、实用地基于原子超窄线宽的滤光方法和装置仍然很有必要。

发明内容

针对自由空间微弱信号光的提取和测量应用，为了解决传统基于原子超窄线宽的法拉第反常色散滤波器在一些极端条件下仍然不能完全消除背景光等问题，也使得滤光装置连接更加简单和集成化，本发明提出对于背景光噪声高抑制比的一种光纤原子滤光装置：利用新型偏振光纤（Polarizing fiber）的高消光比特性——其只使得一种偏振态的光通过，其它偏振态的光则在较高消光比作用下迅速消失，加上配有合适强度磁场和恒温环境的毛细管原子池的应用，可以实现低衰减通过偏振信号光和消除背景光噪声的滤光目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种光纤原子滤光装置，包括光纤耦合聚焦准直镜，还包括曰形纯铁框，曰形纯铁框包括封闭的纯铁外框和设置在纯铁外框中间的带孔纯铁隔板，带孔纯铁隔板开设有通孔，带孔纯铁隔板将曰形纯铁框分隔为上部空腔以及下部空腔，带孔纯铁隔板将设置在纯铁外框内的保温盒分隔为上部保温盒和下部保温盒，上部保温盒设置在上部空腔内，下部保温盒设置在下部空腔内，上部保温盒和下部保温盒之间通过带孔纯铁隔板上的通孔连通，第一毛细管原子池设置在上部保温盒内，第二毛细管原子池设置在下部保温盒内，第一毛细管原子池的外部设置有第一铠装双绞加热丝，第二毛细管原子池外部设置有第二铠装双绞加热丝，第一铠装双绞加热丝与第二铠装双绞加热丝串联构成铠装双绞加热丝，铠装双绞加热丝通过电缆线与恒温器连接，恒温器与设置在保温盒内的感温器连接，上部空腔内位于第一毛细管原子池的两端分别设置有第一永磁体磁环和第二永磁体磁环，下部空腔内位于第二毛细管原子池的两端分布设置有第三永磁体磁环和第四永磁体磁环，

第一偏振光纤的一端与光纤耦合聚焦准直镜相连接，另一端依次穿过曰形纯铁框、第一永磁体磁环内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池的一端连接，第二偏振光纤的一端依次穿过曰形纯铁框、第二永磁体磁环内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池的另一端连接，第二偏振光纤的另一端依次穿过曰形纯铁框、第三永磁体磁环的内孔和下部保温盒连接到第二毛细管原子池的一端，第三偏振光纤的一端依次穿过曰形纯铁框、第四永磁体磁环和下部保温盒连接第二毛细管原子池的另一端，第三偏振光纤的另一端连接光电探测器。

如上所述的第一毛细管原子池和第二毛细管原子池中的原子包括汞、钙、锶、钾、钠、铷、铯。

其工作过程为：

由两对永磁体磁环与曰形纯铁框配合使用，产生两个磁场强度、磁场均匀区完全相同的工作磁场，分别提供给两个毛细管原子池。由恒温器与铠装双绞加热丝、感温器、保温盒联合使用，为两个毛细管原子池提供预先设定的工作温度。当光纤耦合聚焦准直镜接收到微弱信号光与背景光噪声时，依次传输通过第一偏振光纤、第一毛细管原子池、第二偏振光纤、第二毛细管原子池、第三偏振光纤。在这个传输过程中，由于偏振光纤的选偏作用和毛细管原子池里的磁光效应，背景光噪声被完全抑制掉，而微弱信号光能够低损耗地由光电探测器接收。至此，本发明装置实现了高抑制比的光纤原子滤光。

本发明与现有技术相比，优点在于利用偏振光纤的选偏特性和毛细管原子池里的磁光效应进行高抑制比地滤光，毛细管原子池无需要高的工作温度和强的磁场环境对微弱信号光进行大角度地旋光。因此，其可以更好地集成化（自集成或者配套于其它装置集成）、微型化，也可以方便地扩展到多级滤光装置。其在自由空间量子信息处理、激光通信、激光雷达和远程光信号的遥测等领域具有实用性及潜在的重要应用价值。

附图说明

图1所示为本发明一种光学滤波装置的原理图

图中：1-光纤耦合聚焦准直镜；2-第一偏振光纤；3-第一永磁体磁环；4-曰形纯铁框；5-保温盒；6-第一毛细管原子池；7-铠装双绞加热丝；8-第二永磁体磁环；9-第二偏振光纤；10-恒温器；11-电缆线；12-第三永磁体磁环；13-感温器；14-第二毛细管原子池；15-第四永磁体磁环；16-第三偏振光纤；17-光电探测器。

图2所示为实施示意图

图中：L1-背景光；L2-微弱信号光；1-光纤耦合聚焦准直镜；2-第一偏振光纤；3-第一永磁体磁环；4-曰形纯铁框；5-保温盒；6-第一毛细管原子池；7-铠装双绞加热丝；8-第二永磁体磁环；9-第二偏振光纤；10-恒温器；11-电缆线；12-第三永磁体磁环；13-感温器；14-第二毛细管原子池；15-第四永磁体磁环；16-第三偏振光纤；17-光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图1（原理图）和图2（实施示意图）对本发明作进一步详细描述，但是本发明不限于本实施例：

实施例1：

以碱金属铷原子为例，信号光为与铷原子D2线匹配的780 nm波长激光。

如图1所示，一种光纤原子滤光装置，包括光纤耦合聚焦准直镜1、第一偏振光纤2、第一永磁体磁环3、曰形纯铁框4、保温盒5、第一毛细管原子池6、铠装双绞加热丝7、第二永磁体磁环8、第二偏振光纤9、恒温器10、电缆线11、第三永磁体磁环12、感温器13、第二毛细管原子池14、第四永磁体磁环15、第三偏振光纤16、光电探测器17。

曰形纯铁框4包括一个封闭的纯铁外框和设置在纯铁外框中间的一个带孔纯铁隔板，带孔纯铁隔板表面设计有均匀分布的两排通孔。带孔纯铁隔板将曰形纯铁框4分隔为上部空腔以及下部空腔。带孔纯铁隔板将设置在纯铁外框内的保温盒5分隔为上部保温盒和下部保温盒，上部保温盒设置在上部空腔内，下部保温盒设置在下部空腔内，上部保温盒和下部保温盒之间通过带孔纯铁隔板上的通孔连通。第一毛细管原子池6设置在上部空腔内，第二毛细管原子池14设置在下部空腔内。第一毛细管原子池6的外部设置有第一铠装双绞加热丝，第二毛细管原子池14外部均设置有第二铠装双绞加热丝，第一铠装双绞加热丝与第二铠装双绞加热丝串联构成铠装双绞加热丝7。铠装双绞加热丝7通过电缆线11与恒温器10连接，恒温器10与设置在保温盒5内的感温器13连接。曰形纯铁框4的上部空腔内位于第一毛细管原子池6的两端分别设置有第一永磁体磁环3和第二永磁体磁环8，曰形纯铁框4的下部空腔内位于第二毛细管原子池14的两端分布设置有第三永磁体磁环12和第四永磁体磁环15。

第一偏振光纤2的一端与光纤耦合聚焦准直镜1相连接，另一端依次穿过曰形纯铁框4、第一永磁体磁环3内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池6的一端连接，第二偏振光纤9的一端依次穿过曰形纯铁框4、第二永磁体磁环8内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池6的另一端连接，第二偏振光纤9的另一端依次穿过曰形纯铁框4、第三永磁体磁环12的内孔和下部保温盒与第二毛细管原子池14的一端连接，第三偏振光纤16的一端依次穿过曰形纯铁框4、第四永磁体磁环15和下部保温盒与第二毛细管原子池14的另一端连接，第三偏振光纤16的另一端连接光电探测器17。恒温器10通过电缆线11分别与铠装双绞加热丝7、感温器13相连接，自动控制保温盒5内的工作温度。第一永磁体磁环3、第二永磁体磁环8与曰形纯铁框4匹配，为第一毛细管原子池6提供工作磁场；第三永磁体磁环12、第四永磁体磁环15与曰形纯铁框4匹配，为第二毛细管原子池14提供工作磁场。

带孔纯铁隔板设置在纯铁外框中间，是构成曰形纯铁框4中间部分，将磁场分为两个区域。曰形纯铁框4与第一永磁体磁环3、第二永磁体磁环8联合使用构成一个磁场区域，曰形纯铁框4与第三永磁体磁环12、第四永磁体磁环15联合使用构成另外一个磁场区域，工作中两个磁场区域的磁场强度相等，并且，曰形纯铁框4中间的带孔纯铁隔板表面上均匀的分布通孔不对磁场产生影响。

保温盒5包括上部保温盒和下部保温盒，第一铠装双绞加热丝和第一毛细管原子池6设置在上部保温盒内，第二铠装双绞加热丝和第二毛细管原子池14设置在下部保温盒内，上部保温盒和下部保温盒之间通过带孔纯铁隔板上的通孔连通，为了保证上部保温盒和下部保温盒的温度一致，将第一铠装双绞加热丝和第二铠装双绞加热丝分别等长度地安装在上部保温盒和下部保温盒，并且在曰形纯铁框4中间的带孔纯铁隔板设计有两排共10个均匀分布的通孔（典型地，通孔直径为5 mm）。

光纤耦合聚焦准直镜1的增透膜的波长范围与第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14内的碱金属原子工作波长相关，例如，第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14内碱金属铷工作在D2谱线，则光纤耦合聚焦准直镜1的增透膜的波长范围覆盖780 nm。

实施例2：

针对一个特定的应用（例如通信），第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14内充入的原子的种类、数量相同，例如碱金属铷。

第一永磁体磁环3和第二永磁体磁环8与曰形纯铁框4配合使用，产生提供给第一毛细管原子池6的工作磁场。

第三永磁体磁环12和第四永磁体磁环15与曰形纯铁框4配合使用，产生提供给第二毛细管原子池14的工作磁场。

针对一个特定的应用（例如通信），产生的上述两个工作磁场的磁场强度、磁场均匀区完全相同，例如0.0150 T，工作磁场强度依赖于第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14的长度。

恒温器10与铠装双绞加热丝7、感温器13、保温盒5联合使用，为第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14提供恒定的工作温度。工作温度依赖于使用的原子数密度。因为是在同一保温盒5内，第一毛细管原子池6和第二毛细管原子池14感受的温度完全相同。但是，不同的原子将会要求不同的工作温度。

当与碱金属铷原子D2线匹配的780 nm微弱信号光L2与伴随着日光或者灯光背景光L1入射到本发明装置时，由镀有覆盖780 nm波长范围增透膜的光纤耦合聚焦准直镜1接收，首先依次传输通过工作波长为780 nm的第一偏振光纤2、工作在0.0150 T磁场和365 K恒温环境的充有碱金属铷的第一毛细管原子池6、工作波长为780 nm第二偏振光纤9，由于第一毛细管原子池6里铷原子蒸气与780 nm微弱信号光L2的相互作用，由磁光效应导致微弱信号光L2偏振面发生一个角度的旋光，加上裸纤消光比为60 db的第一偏振光纤2和第二偏振光纤9的选偏作用，滤出了大部分背景光L1，微弱信号光L2能够继续传输。

接着，微弱信号光L2依次通过工作在磁场和恒温环境的充有碱金属铷的第二毛细管原子池14、工作波长为780 nm第三偏振光纤16，背景光L1被抑制。

最后，工作波长为780 nm的光电探测器17接收到低损耗传输的微弱信号光L2，本发明装置实现了高抑制比的光纤原子滤光。

其中：

背景光L1。扮演角色为光噪声，会影响信号光的有效探测和测量。例如日光、月光、星光、灯光，以及其它辐射光等。

微弱信号光L2。携带信息的激光（通信）、荧光（大气探测）或者光子（量子信息处理、通信）等。作为本发明专利实施的一个例子，典型地使用Toptic DL-100 Pro激光器，发射与碱金属铷原子D2谱线匹配的780 nm激光。

光纤耦合聚焦准直镜。非磁性，斜8度球面的凸面拱型透射式，按照信号光波长设计、并且镀有覆盖780 nm波长范围的增透膜。用于收集入射光，并将其引导、准直、传输到第一偏振光纤里。

第一偏振光纤，也称为光纤偏振器，典型地使用IXBlueIXS-POL-780-125偏振光纤，老虎型（Tiger）设计结构，可通过其盘卷直径大小调节消光比，典型地裸纤消光比大于60 db。也能够提供低衰减和好的温度稳定性。

第一永磁体磁环。定制：材质为钕铁硼（NdFeB），典型地使用型号N35SH，工作温度420 K，典型地外直径为30 mm，内孔直径为5 mm，厚度为5 mm。第一永磁体磁环和第二永磁体磁环配套、并且与曰字型纯铁框联合使用，为第一毛细管原子池里的原子提供工作磁场。

曰形纯铁框。自制，材质为DT4C电工纯铁，分别与第一永磁体磁环和第二永磁体磁环、第三永磁体磁环和第四永磁体磁环合并使用，产生两个磁场区，为第一毛细管原子池和第二毛细管原子池工作提供磁场环境，依赖于第一毛细管原子池和第二毛细管原子池的长度，产生的磁场强度范围为0.0150-0.2000 T。

保温盒。自制，用于第一毛细管原子池和第二毛细管原子池的保温，典型地使用厚5-20 mm的聚酰亚胺泡沫板制作，长期工作温度可达570 K。并且具有易加工、重量轻等特性。

第一毛细管原子池。自制，光胶技术封装两个端面相互平行的窗片，材质为派热克斯玻璃，毛细管内径范围为0.5-2.0 mm。根据滤光装置的应用需要，充有原子样品，用于与入射的偏振信号光相互作用进行滤光。

铠装双绞加热丝。定制，用于提供电加热功率，工作电流范围为0.5-3A。与温控器、感温器配合使用，加热、恒温第一毛细管原子池和第二毛细管原子池。

第二永磁体磁环。材质、型号、尺寸与第一永磁体磁环完全相同。第二永磁体磁环和第一永磁体磁环配套、并且与曰字型纯铁框联合使用，为第一毛细管原子池里的原子提供工作磁场。

第二偏振光纤。材质、型号、盘卷直径与第一偏振光纤相同，其作用是将传输通过第一毛细管原子池之后的信号光进行选偏、进一步滤除剩余背景光。

恒温器。用于为铠装双绞加热丝提供电功率，并且，恒定第一毛细管原子池和第二毛细管原子池的温度。典型地使用OMRON E5CZ数字温控器，工作温度范围375-480 K。

电缆线。用于恒温器提供控制铠装双绞加热丝加热电功率的通道和与感温器连接。

第三永磁体磁环。材质、型号、尺寸与第一永磁体磁环和第二永磁体磁环完全相同。第三永磁体磁环和第四永磁体磁环配套、并且与曰字型纯铁框联合使用，为第二毛细管原子池里的原子提供工作磁场。

感温器。典型地使用铂电阻PT100，与温控器配合，实时测量保温盒里的温度。

第二毛细管原子池。与第一毛细管原子池的材质、尺寸、以及充制的原子样品完全相同，用于与传输通过第二偏振光纤的信号光进一步相互作用进行滤光。

第四永磁体磁环。材质、型号、尺寸与第一、第二、第三永磁体磁环完全相同。第四永磁体磁环和第三永磁体磁环配套、并且与曰字型纯铁框联合使用，为第二毛细管原子池里的原子提供工作磁场。

第三偏振光纤。材质、型号、盘卷直径与第一偏振光纤和第二偏振光纤相同，其作用是将传输通过第二毛细管原子池之后的信号光进行选偏、再一次滤除剩余背景光噪声。

光电探测器。接收由第二毛细管原子池出射、已经获得滤光的信号光，然后进行光电转换为电信号输出。对于微弱光子信号，典型地使用Excelitas SPCM-AQRH单光子计数器，能够检测400-1060 nm波长范围信号光子。

其他与实施例1相同。

本发明说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充、或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种光纤原子滤光装置，包括光纤耦合聚焦准直镜(1)，其特征在于，还包括曰形纯铁框(4)，曰形纯铁框(4)包括封闭的纯铁外框和设置在纯铁外框中间的带孔纯铁隔板，带孔纯铁隔板开设有通孔，带孔纯铁隔板将曰形纯铁框(4)分隔为上部空腔以及下部空腔，带孔纯铁隔板将设置在纯铁外框内的保温盒(5)分隔为上部保温盒和下部保温盒，上部保温盒设置在上部空腔内，下部保温盒设置在下部空腔内，上部保温盒和下部保温盒之间通过带孔纯铁隔板上的通孔连通，第一毛细管原子池(6)设置在上部保温盒内，第二毛细管原子池(14)设置在下部保温盒内，第一毛细管原子池(6)的外部设置有第一铠装双绞加热丝，第二毛细管原子池(14)外部设置有第二铠装双绞加热丝，第一铠装双绞加热丝与第二铠装双绞加热丝串联构成铠装双绞加热丝(7)，铠装双绞加热丝(7)通过电缆线(11)与恒温器(10)连接，恒温器(10)与设置在保温盒(5)内的感温器(13)连接，上部空腔内位于第一毛细管原子池(6)的两端分别设置有第一永磁体磁环(3)和第二永磁体磁环(8)，下部空腔内位于第二毛细管原子池(14)的两端分布设置有第三永磁体磁环(12)和第四永磁体磁环(15)，

第一偏振光纤(2)的一端与光纤耦合聚焦准直镜(1)相连接，另一端依次穿过曰形纯铁框(4)、第一永磁体磁环(3)内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池(6)的一端连接，第二偏振光纤(9)的一端依次穿过曰形纯铁框(4)、第二永磁体磁环(8)内孔和上部保温盒与第一毛细管原子池(6)的另一端连接，第二偏振光纤(9)的另一端依次穿过曰形纯铁框(4)、第三永磁体磁环(12)的内孔和下部保温盒连接到第二毛细管原子池(14)的一端，第三偏振光纤(16)的一端依次穿过曰形纯铁框(4)、第四永磁体磁环(15)和下部保温盒连接第二毛细管原子池(14)的另一端，第三偏振光纤(16)的另一端连接光电探测器(17)，

第一毛细管原子池(6)和第二毛细管原子池(14)中的原子包括汞、钙、锶、钾、钠、铷、铯，

第一偏振光纤(2)、第二偏振光纤(9)和第三偏振光纤(16)的裸纤消光比大于60db。