CN106444097A - 基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器 - Google Patents

基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，包括420nm半导体激光器，420nm半导体激光器电源，Rb原子蒸气室，温控系统，磁屏蔽盒，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，半反半透镜BS1、BS2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，高反镜M1、M2，偏振分光棱镜PBS和光电探测器PD1、PD2；所述420nm半导体激光器最大输出功率为20mw，工作波长范围为414nm到420nm。本发明的有益效果是:同时采用饱和吸收效应、法拉第效应和光致圆二色性来获得更窄线宽的原子滤光器，实现了线宽为6.0MHz，透过率为2.1％的超窄线宽原子滤光器可应用于激光稳频、自由光通信、水下光通信、深空通信、遥感以及激光雷达等应用系统。

Description

基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器
技术领域
本发明涉及一种超窄线宽原子滤光器，更具体说，涉及一种基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器。
背景技术
近年来，为了压窄半导体激光器的线宽，通常使用电反馈和光反馈法将半导体激光器锁定在原子分子跃迁的谱线上来实现稳频，因此需要窄线宽的光谱来提供稳频的频率参考。由于自由光通信、水下光通信、深空通信、遥感以及激光雷达等应用系统要求更低的系统发射功率、更高的数据传输速率以及更小的误码率，法拉第反常色散原子滤光器(简称FADOF)因其高透射率、窄带宽和高噪声抑制比开始受到重视。
通常，FADOF的透射谱带宽在几个GHz量级，工作频率和带宽在一定范围内可以连续调谐，可应用在空间光通信、水下通信等领域。为了获得更窄线宽的原子滤光器，Gayen等人在1995年第一次实现了引入圆二色性的原子滤光器[Wieman C,T W.Doppler-free laser polarization spectroscopy[J].Physical Review Letters,1976,36(20):1170.]，这与极化谱的实验原理类似[Harris M L,Adams C S,Cornish S L,etal.Polarization spectroscopy in rubidium and cesium[J].Physical Review A,2006,73(6):062509.]，二色性的原子滤光器是在泵浦光引入圆二色性，这种系统可使激光光谱的线宽压窄一个数量级。
目前超窄带宽原子滤光器可获得最窄带宽为10MHz左右，本发明利用此原理实现基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，所实现的滤波器的线宽小于6.0MHz，透过率约为2.1％。具体描述和说明见实现方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够将线宽压窄到6.0MHz，透过率达到2.1％的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:这种基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，包括420nm半导体激光器，420nm半导体激光器电源，Rb原子蒸气室，温控系统，磁屏蔽盒，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，半反半透镜BS1、BS2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，高反镜M1、M2，偏振分光棱镜PBS和光电探测器PD1、PD2；所述420nm半导体激光器最大输出功率为20mw，工作波长范围为414nm到420nm；所述Rb原子蒸气室的底部直径为25mm，长为5cm；所述Rb原子蒸气室内包括同位素87Rb和85Rb，含量分别为72.2％和27.8％；半反半透镜BS1、BS2，高反镜M1、M2均与入射光呈45°角放置，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，偏振分光棱镜PBS均垂直于入射光放置；420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较强的光作为泵浦光，较弱的光作为探测光，探测光和泵浦光可分别通过中性衰减片NDF1和NDF2来调节光强；当线偏振的泵浦光经过高反镜M1和四分之一波片QWP变为圆偏振光，经过高反镜M2和半反半透镜BS2之后以与探测光相反的方向与探测光重合，半波片HWP1用来调节泵浦光、探测光的功率大小，半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向；偏振方向平行于探测光的一路信号被光电探测器PD1接收，是饱和吸收光谱信号，作为参考信号；垂直于探测光的一路信号被光电探测器PD2接收，是超窄线宽滤光信号；在Rb原子蒸气室两侧设置磁环H1、H2引入均匀磁场，Rb原子蒸气室和磁环位于磁屏蔽盒内。
作为优选：所述420nm半导体激光器电源包括三角波发生器、电流驱动器、温度控制器、PZT压电陶瓷传感器。
作为优选：所述温控系统包括铝制加热片、加热膜、温度传感器、比较器和PID电路；所述温控系统的温控范围从25℃加热到150℃。
作为优选：所述的加热膜材料为聚酰亚胺，所述加热膜包裹在Rb原子蒸气室外层。
作为优选：根据权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述的温度传感器采用热敏电阻，所述的热敏电阻、加热膜、Rb原子蒸气室一起放置于铝制加热片内。
作为优选：所述的磁环H1、H2材质为钕铁硼永磁体，尺寸为外径32mm，内径12mm，厚度4mm，磁环H1、H2的表面强度为900Gs，平行等距放置于Rb原子蒸气室两侧。
这种基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的运行方法，包括如下步骤：
步骤1：探测光：420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半波片HWP1、半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较弱的光经半反半透镜BS1透射为探测光，并依次经中性衰减片NDF1、Rb原子蒸气室、半反半透镜BS2、半波片HWP2透射；
步骤2：泵浦光：420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半波片HWP1、半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较强的光经半反半透镜BS1反射为泵浦光，线偏振的泵浦光经过高反镜M1和四分之一波片QWP变为圆偏振光，经过高反镜M2和半反半透镜BS2之后以与探测光相反的方向与探测光重合，通过饱和吸收效应获得Rb 420nm原子共振跃迁线和交叉跃迁线；
步骤3：饱和吸收光谱信号：半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向。偏振方向平行于探测光的一路信号被光电探测器PD1接收，是饱和吸收光谱信号，作为参考信号；
步骤4：超窄线宽滤光信号：半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向。垂直于探测光的一路信号被光电探测器PD2接收，是超窄线宽滤光信号。
本发明的有益效果是:同时采用饱和吸收效应、法拉第效应和光致圆二色性来获得更窄线宽的原子滤光器，实现了线宽为6.0MHz，透过率为2.1％的超窄线宽原子滤光器可应用于激光稳频、自由光通信、水下光通信、深空通信、遥感以及激光雷达等应用系统。
附图说明
图1是基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的实验光路图；
图2是温控系统的原理框图；
图3是温度为120℃、泵浦光功率4.5mW、磁场强度为5Gs时的超窄线宽原子滤光谱；
图4是温度为120℃、泵浦光功率4.5mW时透过率随磁场变化趋势；
图5是泵浦光功率4.5mW、磁场强度为5Gs时透过率随温度的变化趋势；
图6是温度为120℃、磁场强度为5Gs时透过率随泵浦光功率的变化趋势。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明的实施光路参照1所示，半反半透镜BS1、BS2，高反镜M1、M2均与入射光呈45°角放置，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，偏振分光棱镜PBS均垂直于入射光放置。420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较强的光作为泵浦光，较弱的光作为探测光，探测光和泵浦光可分别通过中性衰减片NDF1和NDF2来调节光强。当线偏振的泵浦光经过高反镜M1和四分之一波片QWP变为圆偏振光，经过高反镜M2和半反半透镜BS2之后以与探测光相反的方向与探测光重合，半波片HWP1用来调节泵浦光、探测光的功率大小，半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向。偏振方向平行于探测光的一路信号被光电探测器PD1接收，是饱和吸收光谱信号，作为参考信号；垂直于探测光的一路信号被光电探测器PD2接收，是超窄线宽滤光信号。在FADOF基础上引入泵浦光，通过饱和吸收效应获得Rb 420nm原子共振跃迁线和交叉跃迁线，为了避免选择出来的共振跃迁线和交叉跃迁线被半波片HWP2和偏振分光棱镜PBS完全阻挡，在Rb原子蒸气室两侧引入均匀磁场，利用法拉第效应使得偏振方向发生旋转，在合适的条件下会透过半波片HWP2和偏振分光棱镜PBS，得到垂直于探测光的超窄线宽滤光信号，其线宽接近饱和吸收光谱的线宽。
温控系统的原理框图如图2所示，将加热膜包裹在铷泡上通电加热，使用热敏电阻传感温度的变化，将温度转换为电信号，然后与设置的温度进行比较，得到温差信号，经过PID电路处理，反馈给加热膜调整加热功率以实现温度控制。
图3为本发明基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的实施例一实验结果图。实验条件为温度120℃、泵浦光功率4.5mW、磁场强度5Gs，获得F＝3→F′＝3,4透过率为2.1％，线宽为6.0MHz。
图4为本发明基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的实施例一实验结果图。温度为120℃、泵浦光功率4.5mW时透过率随磁场增大而增大，磁场为5Gs时透过率达到最大为2.1％，随着磁场继续增大透过率开始下降。
图5为本发明基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的实施例一实验结果图。泵浦光功率4.5mW、磁场强度为5Gs时透过率随温度的上升而增大，温度为120℃时透过率达到最大为2.1％，温度继续升高透过率开始下降。
图6为本发明基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的实施例一实验结果图。温度为120℃、磁场强度为5Gs时透过率随泵浦光功率增大而增大，本实验中激光器输出功率最大时，泵浦光功率为4.5mW，此时透过率为2.1％。

Claims (7)

1.一种基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：包括420nm半导体激光器，420nm半导体激光器电源，Rb原子蒸气室，温控系统，磁屏蔽盒，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，半反半透镜BS1、BS2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，高反镜M1、M2，偏振分光棱镜PBS和光电探测器PD1、PD2；所述420nm半导体激光器最大输出功率为20mw，工作波长范围为414nm到420nm；所述Rb原子蒸气室的底部直径为25mm，长为5cm；所述Rb原子蒸气室内包括同位素87Rb和85Rb，含量分别为72.2％和27.8％；半反半透镜BS1、BS2，高反镜M1、M2均与入射光呈45°角放置，磁环H1、H2，半波片HWP1、HWP2，中性衰减片NDF1、NDF2，四分之一波片QWP，偏振分光棱镜PBS均垂直于入射光放置；420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较强的光作为泵浦光，较弱的光作为探测光，探测光和泵浦光可分别通过中性衰减片NDF1和NDF2来调节光强；当线偏振的泵浦光经过高反镜M1和四分之一波片QWP变为圆偏振光，经过高反镜M2和半反半透镜BS2之后以与探测光相反的方向与探测光重合，半波片HWP1用来调节泵浦光、探测光的功率大小，半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向；偏振方向平行于探测光的一路信号被光电探测器PD1接收，是饱和吸收光谱信号，作为参考信号；垂直于探测光的一路信号被光电探测器PD2接收，是超窄线宽滤光信号；在Rb原子蒸气室两侧设置磁环H1、H2引入均匀磁场，Rb原子蒸气室和磁环位于磁屏蔽盒内。
2.根据权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述420nm半导体激光器电源包括三角波发生器、电流驱动器、温度控制器、PZT压电陶瓷传感器。
3.根据权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述温控系统包括铝制加热片、加热膜、温度传感器、比较器和PID电路；所述温控系统的温控范围从25℃加热到150℃。
4.根据权利要求3所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述的加热膜材料为聚酰亚胺，所述加热膜包裹在Rb原子蒸气室外层。
5.根据权利要求3所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：根据权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述的温度传感器采用热敏电阻，所述的热敏电阻、加热膜、Rb原子蒸气室一起放置于铝制加热片内。
6.根据权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器，其特征在于：所述的磁环H1、H2材质为钕铁硼永磁体，尺寸为外径32mm，内径12mm，厚度4mm，磁环H1、H2的表面强度为900Gs，平行等距放置于Rb原子蒸气室两侧。
7.一种如权利要求1所述的基于Rb原子420nm跃迁的超窄线宽原子滤光器的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：探测光：420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半波片HWP1、半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较弱的光经半反半透镜BS1透射为探测光，并依次经中性衰减片NDF1、Rb原子蒸气室、半反半透镜BS2、半波片HWP2透射；
步骤2：泵浦光：420nm半导体激光器发射出线偏振光，经过半波片HWP1、半反半透镜BS1分成强弱两束光，其中较强的光经半反半透镜BS1反射为泵浦光，线偏振的泵浦光经过高反镜M1和四分之一波片QWP变为圆偏振光，经过高反镜M2和半反半透镜BS2之后以与探测光相反的方向与探测光重合，通过饱和吸收效应获得Rb 420nm原子共振跃迁线和交叉跃迁线；
步骤3：饱和吸收光谱信号：半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向。偏振方向平行于探测光的一路信号被光电探测器PD1接收，是饱和吸收光谱信号，作为参考信号；
步骤4：超窄线宽滤光信号：半波片HWP2改变探测光相对于偏振分光棱镜PBS的偏振方向，使得通过偏振分光棱PBS的两路信号，一路平行于探测光方向，一路垂直于探测光方向。垂直于探测光的一路信号被光电探测器PD2接收，是超窄线宽滤光信号。
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