CN106329295A - 基于空心阴极灯的激发态原子滤光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空心阴极灯的激发态原子滤光器。这种原子滤光器采用空心阴极灯作为原子气室，依靠对阴极灯中心细管内的放电来增加原子数密度，从而不需要传统激发态原子滤光器构型中的加热模块，使得温度限制使用环境的问题得以解决，扩大了原子滤光器的使用范围。由于气室内放电后，绝大多数原子将处于所需的激发态，这些原子向基态跃迁时的发光波段处于泵浦光波段780nm，因此将Rb阴极灯置于内壁为780nm具有高反射率材料制成的容器中，同时通光孔放置对780nm泵浦光具有高反射率而对1529nm信号光具有高透射率的滤光片，使得跃迁发出的780nm光信号能够作为泵浦光而被反射回阴极灯内将Rb原子由基态泵浦至激发态。这种构型的新型激发态法拉第反常色散原子滤光器不需要使用额外的泵浦激光，能够大大节省成本，并增加使用的便捷性，减少技术难度。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种新型的激发态原子滤光器。
背景技术
原子滤光器是基于原子蒸汽对跃迁能级波长位置处的信号光的超窄带宽特性制作的滤光器件。与传统的滤光器如干涉滤光片相比，其具有窄带宽，高透射率，视场角大，带外抑制比高的特点。这种滤光器在自由空间光通信，深空通信，遥感，激光雷达，气象，水下光通信等领域具有广泛的应用前景。
原子蒸汽因其固有的超窄带共振特性(0.001nm)引起了人们基于原子共振跃迁研究滤光器的兴趣。1978年首次利用钠蒸汽实现了红外量子计数器，即通过钠原子激发态之间的共振跃迁把红外信号光子转换到可探测的波段进行探测。基于该原型，人们实现了原子共振滤光器(ARF)，它将入射的信号光转换为其它波段的信号光进行探测，并通过外加具有不同透过窗口的滤光片来抑制带外噪声，这种最初的原子滤光器覆盖了紫外到近红外波段。在八九十年代，它在激光雷达，深空通信中得到了广泛的应用研究。由于共振原子滤光器是基于原子对光的吸收和发射工作的，所以其的响应速率较慢，而且由于中间经历了波长转换过程，因此它不能用于成像。并且受到转换效率影响，这种原子滤光器的透射率不是很高。
法拉第反常色散原子滤光器模型在1982年被首次提出。它是基于原子在磁场中对信号光的法拉第旋光效应来工作的。法拉第反常色散原子滤光器由原子气室，施加于原子气室的纵向磁场，以及原子气室两端偏振方向相互垂直的偏振片构成。在磁场中，Zeeman分裂使得原子对左旋和右旋圆偏振光有不同的共振跃迁频率。当线偏振光入射时，其相同频率的左旋和右旋圆偏振分量将处于原子不同的共振跃迁强度位置，使得原子对这两个分量有不同的折射率。由于折射率不同，左旋和右旋圆偏振分量在原子蒸汽中传播相同的距离后将有不同的相位延迟，使得它们合成的线偏振光的偏振方向相比入射时将发生旋转。由于两片偏振片偏振方向相互垂直，所以只有偏振旋转角度接近90度的信号光才 能通过两片偏振片。又因为只有频率位于共振跃迁线附近的信号光才有显著的旋光效应，因此只有频率位于共振跃迁位置附近较窄带宽(0.001nm)内的信号光才能通过该系统。相比于原子共振滤光器，由于不需要经过中间的频率转换过程，因此法拉第反常色散原子滤光器具有响应速率快，透射率高，可用于成像等优点。为了增加法拉第反常色散原子滤光器的应用波段，激发态法拉第反常色散原子滤光器于1995年被提出。它首先经过泵浦激光将原子抽运至激发态作为滤光器的工作下能级，再基于上述法拉第旋光原理完成滤光过程。
由于旋光效应的大小正比于气室内的原子数密度，所以为了保证滤光器具有较高的透过率，需要加热模块对原子气室进行加热并进行控温，以增加气室内原子数密度并使其保持稳定。对于激发态反常色散原子滤光器，还需要配置一台高功率且较稳定的泵浦激光将原子由基态抽运至激发态。加热模块的存在限制了法拉第反常色散原子滤光器的使用范围如红外探测领域，并且会给系统带来一定的热噪声。而配置泵浦激光器则将大大增加器件的成本，并且带来技术上的难题，如对激光器频率稳定性和机械稳定性的控制等等，此外这也将使滤光器的体积变得庞大，限制其使用范围。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型的空心阴极灯激发态原子滤光器。
本发明所采用的技术方案是：其采用Rb阴极灯作原子气室，依靠对阴极灯细管内的材料放电来增加Rb原子数密度而不必采用对传统原子气室加热的方式。同时将Rb阴极灯置于内壁780nm高反材料制成的容器中，容器通光孔放置对780nm高反，1529nm高透的滤光片，这使得阴极灯放电激发后原子跃迁回基态发出的780nm光信号能够作为泵浦光而被反射回阴极灯内将Rb原子由基态泵浦至激发态。该设计不需要使用泵浦激光器作为泵浦方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是采用阴极灯作为原子气室，依靠对阴极灯中心细管内的放电来增加原子数密度，从而不需要传统激发态原子滤光器构型中的加热模块，使得温度限制使用环境的问题得以解决，扩大了原子滤 光器的使用范围。由于气室内放电后，绝大多数原子将处于所需的激发态，这些原子向基态跃迁时的发光波段处于泵浦光波段780nm，因此将Rb阴极灯置于内壁为780nm高反材料制成的容器中，同时通光孔放置对780nm高反而对1529nm高透的滤光片，使得跃迁发出的780nm光信号能够作为泵浦光而被反射回阴极灯内将Rb原子由基态泵浦至激发态。这种构型的新型激发态原子滤光器不需要使用额外的泵浦激光，能够大大节省成本，并增加使用的便捷性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中(1).Rb原子阴极灯。(2).内壁对780nm泵浦光具有高反射率的容器。(3.1)、(3.2).两个通光孔。(4.1)、(4.2).对1529nm信号光具有高透过滤而对780nm泵浦光具有高反射率的滤光片。(5.1)、(5.2).偏振方向相互垂直的偏振片。(6).1529nm信号光。(7).反射回阴极灯的780nm泵浦光。(8).磁场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。实施方式如图一所示，其中(1)为Rb原子阴极灯及其控制器。(2)为内壁对780nm泵浦光具有高反射率的容器。其上开有两个通光孔(3.1)和(3.2)，通光孔上安装了对1529nm信号光具有高透过滤而对780nm泵浦光具有高反射率的滤光片(4.1)和(4.2)。通光孔外固定放置了偏振方向相互垂直的一对偏振片。信号光从偏振片的任意一侧入射，如(5.2)测。通过滤光片(4.2)后进入加有磁场(8)的Rb原子阴极灯(1)。控制器控制铷原子阴极灯处于放电状态，以增加其内的Rb原子数密度。阴极灯内原子蒸汽的法拉第旋光效应使得信号光的偏振方向发生旋转，旋转角接近90度的频率分量可以通过系统的第二片偏振片(5.2)。在阴极灯放电激发的过程中，由于原子跃迁将发出780nm的泵浦光(7)。泵浦光将被通光孔口的滤光片(4.1)和(4.2)以及容器壁反射回阴极灯内将Rb原子由基态泵浦至激发态作为滤光器的工作下能级。
Claims (2)
1.一种基于空心阴极灯的激发态原子滤光器，其特征在于：采用阴极灯作为原子气室，依靠对阴极灯中心细管内的放电来增加原子数密度，从而不需要传统激发态原子滤光器构型中的加热模块，使得温度限制使用环境的问题得以解决，扩大了原子滤光器的使用范围。由于气室内放电后，绝大多数原子将处于所需的激发态，这些原子向基态跃迁时的发光波段处于泵浦光波段780nm，因此将Rb阴极灯置于内壁为780nm高反材料制成的容器中，同时通光孔放置对780nm高反而对1529nm高透的滤光片，使得跃迁发出的780nm光信号能够作为泵浦光而被反射回阴极灯内将Rb原子由基态泵浦至激发态。这种构型的新型激发态原子滤光器不需要使用额外的泵浦激光，能够大大节省成本，并增加使用的便捷性。
和现有的技术共有的成分为滤光器两端都为偏振方向相互垂直的偏振片，同时其中一端需要对780nm泵浦光具有高反射率，而对1529nm信号光具有高透过率的滤光片。
2.根据权利要求1所述的一种基于空心阴极灯的激发态原子滤光器，其特征在于：Rb原子空心阴极灯(1)放置于内壁对780nm泵浦光具有高反射率的外壳(2)中，其两端的通光孔(3.1)、(3.2)依次固定放置对1529nm信号光具有高透过滤而对780nm泵浦光具有高反射率的滤光片(4.1)、(4.2)以及偏振方向相互垂直的偏振片(5.1)、(5.2)。其中Rb原子空心阴极灯，对780nm泵浦光具有高反射率的外壳，以及同时使用两片780nm高反，1529nm高透的滤光片为本发明所特有的特征。而两端偏振方向相互垂直的偏振片和只用一片对780nm高反而对1529nm高透的滤光片为滤光器技术所共有的特征。
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