CN106842759A - 用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法 - Google Patents

用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光极化技术领域，具体地涉及可用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法。所述装置包括激光器、可调衰减片、铷原子气室、加热池、加热池控制器、二分之一波片、偏振分光镜、一号光探测器、二号光探测器、数据采集卡、计算机。本发明通过控制铷原子气室的温度，改变铷原子蒸汽密度，实现对透过气室光强的高精度调整和稳定；本发明可连续改变光强的透过率；同时由于本发明使用的是一种非接触的控制技术，避免了元件移动带来的光路扰动。

Description

用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及光极化技术领域，具体地涉及可用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法。
背景技术
光极化利用激光与原子相互作用，实现角动量由光子到工作物质原子的转移，是一种产生极化原子的技术手段。光极化技术在授时、磁力仪、量子光学、导航和医学等领域中都得到广泛的应用。
铷原子最外层只有一个电子，因此其电子自旋容易直接被激光进行驱动、检测等操控，被广泛应用在原子磁力仪、原子钟、原子陀螺仪等领域。在铷原子光极化过程中，铷原子通过吸收谐振于特定跃迁(例如铷原子D1跃迁)的圆偏振泵浦激光，实现不同能级上分布的原子数的重排，最终大部分铷原子聚集在特定的Zeeman子能级上，即实现了铷原子极化。在光极化技术的一般应用中，为了保证极化强度的稳定，要求对入射激光功率进行高精度的控制。然而，在普遍使用的商用半导体激光器中，光功率的稳定性并不能严格保证。
铷原子熔点为38.89℃，在室温下一般为固态。随着温度升高，铷原子汽化。铷蒸汽的原子数密度随温度升高而增大，且铷蒸汽的原子数密度越高对光的吸收越强。因此可以通过控制铷蒸汽的温度实现对透射光强的调控。
发明内容
本发明提供一种用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置及其使用方法，实现了对泵浦光功率的高精度控制和稳定。
本发明采用的技术方案为：一种用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置，包括激光器1、可调衰减片2、铷原子气室3、加热池4、加热池控制器5、二分之一波片6、偏振分光镜7、一号光探测器801、二号光探测器802、数据采集卡9、计算机10。
所述激光器1出射的线偏振激光经过可调衰减片2和铷原子气室3后，通过二分之一波片6改变线偏振光轴，再经过偏振分光镜7后分为两束，分别照射在一号光探测器801和二号光探测器802上；数据采集卡9采集一号光探测器801和二号光探测器802输出的信号传递给计算机10；计算机10通过分析一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，调整加热池控制器5输出的加热驱动电流，经由加热池4对铷原子气室3进行温度控制，铷原子气室3由于温度的改变导致气室内铷原子蒸汽密度的改变，从而导致吸收的光强发生变化，最终实现所述高精度光功率稳定装置的输出光强度进行高精度的调整和稳定。
所述的激光器1为铷原子光极化提供光源；所述的可调衰减片2用于初步调整光功率；所述的铷原子气室3用于吸收透过光；所述的加热池4用于对铷原子气室3进行温度控制；所述的加热池控制器5为输出可调的高精密电流源，为加热池4提供驱动电流；所述的二分之一波片6和偏振分光镜7用于调节进入一号光探测器801和二号光探测器802的光功率大小；所述的数据采集卡9用于采集一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，输入计算机10，并将计算机10计算得到的控制信号输出给加热池控制器5；所述的计算机10通过分析一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，调整加热池控制器5输出的加热驱动电流。
本发明还提供一种上述高精度光功率稳定装置的使用方法，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如上所述高精度光功率稳定装置；
步骤二、所述激光器1出射的线偏振激光经过可调衰减片2和铷原子气室3后，再经过偏振分光镜7后分为两束，分别照射在一号光探测器801和二号光探测器802上；
步骤三、确定照射在一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例：加热池控制器5无输出，铷原子气室3处于室温，通过旋转二分之一波片6改变线偏振光轴，调节激光器1输出激光透过偏振分光镜7照射在一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例；
步骤四、由所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度，确定一号光探测器801的目标光信号强度：撤掉二号光探测器802，原本照射在二号光探测器802的光为所述高精度光功率稳定装置的输出光，照射在一号光探测器801的光为所述高精度光功率稳定装置的目标光；根据所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度以及步骤三得到的一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例，确定一号光探测器801的目标光信号强度；
步骤五、初步调整所述高精度光功率稳定装置的输出光强度：通过旋转可调衰减片2使所述高精度光功率稳定装置的输出光强度略高于期望的输出光强度，使输出光强度高出期望的输出光强度值保持在10mW以内；
步骤六、对所述光功率稳定装置的输出光强度进行高精度调整和稳定：计算机10通过判断二号光探测器802与目标光信号强度之间的差距，控制加热池控制器5输出的加热驱动电流，从而控制加热池4改变铷原子气室3的温度，铷原子气室3由于温度的改变导致气室内铷原子蒸汽密度的改变，从而导致吸收的光强发生变化，最终实现所述高精度光功率稳定装置的输出光强度进行高精度的调整和稳定。
本发明具有以下技术效果：
本发明通过控制铷原子气室3的温度，改变铷原子蒸汽密度，实现对透过气室光强的高精度调整和稳定；本发明可连续改变光强的透过率；同时由于本发明使用的是一种非接触的控制技术，避免了元件移动带来的光路扰动。
附图说明
图1为本发明所述用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
参考附图1，本发明用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置，包括激光器1、可调衰减片2、铷原子气室3、加热池4、加热池控制器5、二分之一波片6、偏振分光镜7、一号光探测器801、二号光探测器802、数据采集卡9、计算机10。所述激光器1出射的线偏振激光经过可调衰减片2和铷原子气室3，通过二分之一波片6改变线偏振光轴，经过偏振分光镜7后分为两束，分别照射在一号光探测器801和二号光探测器802；数据采集卡9采集一号光探测器801和二号光探测器802输出的信号传递给计算机10；计算机10通过分析一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，调整加热池控制器5输出的加热驱动电流，经由加热池4对铷原子气室3进行温度控制，铷原子气室3由于温度的改变导致气室内铷原子蒸汽密度的改变，从而导致吸收的光强发生变化，最终实现所述高精度光功率稳定装置的输出光强度进行高精度的调整和稳定。
所述的激光器1为分布反馈半导体激光器，岀射795nm线偏振激光，为铷原子光极化提供光源；
所述的可调衰减片2为连续可变背侧镀膜衰减片，通过旋转实现光透过率的连续线性可调，用于初步调整光功率；
所述的铷原子气室3为充有过量铷金属(一般为1g)的密封石英玻璃气室，用于吸收透过光；
所述的加热池4通过电流加热方式实现对铷原子气室3的温度控制；
所述的加热池控制器5为输出可调的高精密电流源，为加热池4提供驱动电流；
所述的二分之一波片6通过改变激光的线偏振光轴，用于调节通过偏振分光镜7后进入一号光探测器801和二号光探测器802的光功率大小；
所述的数据采集卡9用于采集一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，输入计算机10，并将计算机10计算得到的控制信号输出给加热池控制器5；
所述的计算机10通过比较目标光强与一号光探测器801和二号光探测器802探测得到的光强信号，调整加热池控制器5输出的加热驱动电流。
本发明提供一种上述高精度光功率稳定装置的使用方法，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如上所述高精度光功率稳定装置；
步骤二、所述激光器1出射的线偏振激光经过可调衰减片2和铷原子气室3后，再经过偏振分光镜7后分为两束，分别照射在一号光探测器801和二号光探测器802上；
步骤三、确定照射在一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例：加热池控制器5无输出，铷原子气室3处于室温，通过旋转二分之一波片6改变线偏振光轴，调节激光器1输出激光透过偏振分光镜7照射在一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例；
步骤四、由确定所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度确定一号光探测器801的目标光信号强度：撤掉二号光探测器802，原本照射在二号光探测器802的光为所述高精度光功率稳定装置的输出光，照射在一号光探测器801的光为所述高精度光功率稳定装置的目标光；根据所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度以及步骤三得到的一号光探测器801和二号光探测器802的光强比例，确定一号光探测器801的目标光信号强度；
步骤五、初步调整所述高精度光功率稳定装置的输出光强度：通过旋转可调衰减片2使所述高精度光功率稳定装置的输出光强度略高于期望的输出光强度，使输出光强度高出期望的输出光强度值保持在10mW以内；
步骤六、对所述光功率稳定装置的输出光强度进行高精度调整和稳定：计算机10通过判断二号光探测器802与目标光信号强度之间的差距，控制加热池控制器5输出的加热驱动电流，从而控制加热池4改变铷原子气室3的温度。如果二号光探测器802光信号比目标光信号强，加热池控制器5输出的加热驱动电流增大，铷原子气室3温度升高，铷原子数密度增大，对光的吸收增强，所述光功率稳定装置的输出光强度降低；如果二号光探测器802光信号比目标光信号弱，加热池控制器5输出的加热驱动电流减小，铷原子气室3温度降低，铷原子数密度减小，对光的吸收减弱，所述光功率稳定装置的输出光强度增高。最终实现所述光功率稳定装置的输出光强度进行高精度调整和稳定。

Claims (2)

1.一种用于铷原子光极化的高精度光功率稳定装置，其特征在于：所述装置包括激光器(1)、可调衰减片(2)、铷原子气室(3)、加热池(4)、加热池控制器(5)、二分之一波片(6)、偏振分光镜(7)、一号光探测器(801)、二号光探测器(802)、数据采集卡(9)、计算机(10)；
所述激光器(1)出射的线偏振激光经过可调衰减片(2)和铷原子气室(3)后，通过二分之一波片(6)改变线偏振光轴，再经过偏振分光镜(7)后分为两束，分别照射在一号光探测器(801)和二号光探测器(802)上；数据采集卡(9)采集一号光探测器(801)和二号光探测器(802)输出的信号传递给计算机(10)；计算机(10)通过分析一号光探测器(801)和二号光探测器(802)探测得到的光强信号，调整加热池控制器(5)输出的加热驱动电流，经由加热池(4)对铷原子气室(3)进行温度控制，铷原子气室(3)由于温度的改变导致气室内铷原子蒸汽密度的改变，从而导致吸收的光强发生变化，最终实现所述高精度光功率稳定装置的输出光强度进行高精度的调整和稳定；
所述的激光器(1)为铷原子光极化提供光源；所述的可调衰减片(2)用于初步调整光功率；所述的铷原子气室(3)用于吸收透过光；所述的加热池(4)用于对铷原子气室(3)进行温度控制；所述的加热池控制器(5)为输出可调的高精密电流源，为加热池(4)提供驱动电流；所述的二分之一波片(6)和偏振分光镜(7)用于调节进入一号光探测器(801)和二号光探测器(802)的光功率大小；所述的数据采集卡(9)用于采集一号光探测器(801)和二号光探测器(802)探测得到的光强信号，输入计算机(10)，并将计算机(10)计算得到的控制信号输出给加热池控制器(5)；所述的计算机(10)通过分析一号光探测器(801)和二号光探测器(802)探测得到的光强信号，调整加热池控制器(5)输出的加热驱动电流。
2.一种权利要求1所述高精度光功率稳定装置的使用方法，其特征在于，该方法具体包含以下步骤：
步骤一、搭建如权利要求1所述高精度光功率稳定装置；
步骤二、所述激光器(1)出射的线偏振激光经过可调衰减片(2)和铷原子气室(3)后，再经过偏振分光镜(7)后分为两束，分别照射在一号光探测器(801)和二号光探测器(802)上；
步骤三、确定照射在一号光探测器(801)和二号光探测器(802)的光强比例：加热池控制器(5)无输出，铷原子气室(3)处于室温，通过旋转二分之一波片(6)改变线偏振光轴，调节激光器(1)输出激光透过偏振分光镜(7)照射在一号光探测器(801)和二号光探测器(802)的光强比例；
步骤四、由所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度，确定一号光探测器(801)的目标光信号强度：撤掉二号光探测器(802)，原本照射在二号光探测器(802)的光为所述高精度光功率稳定装置的输出光，照射在一号光探测器(801)的光为所述高精度光功率稳定装置的目标光；根据所述高精度光功率稳定装置期望的输出光强度以及步骤三得到的一号光探测器(801)和二号光探测器(802)的光强比例，确定一号光探测器(801)的目标光信号强度；
步骤五、初步调整所述高精度光功率稳定装置的输出光强度：通过旋转可调衰减片(2)使所述高精度光功率稳定装置的输出光强度略高于期望的输出光强度，使输出光强度高出期望的输出光强度值保持在10mW以内；
步骤六、对所述光功率稳定装置的输出光强度进行高精度调整和稳定：计算机(10)通过判断二号光探测器(802)与目标光信号强度之间的差距，控制加热池控制器(5)输出的加热驱动电流，从而控制加热池(4)改变铷原子气室(3)的温度，铷原子气室(3)由于温度的改变导致气室内铷原子蒸汽密度的改变，从而导致吸收的光强发生变化，最终实现所述高精度光功率稳定装置的输出光强度进行高精度的调整和稳定。
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