CN108645816B - 一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，是基于激光在原子气室中密集的多次反射实现的。原子气室的前后两侧放置一对左右错开的反射装置，这对反射装置的法线方向在水平内存在一定夹角，则穿过原子气室以小角度入射至反射装置的激光会在这对反射裝置中产生多次反射；通过调整入射激光的角度以及两个反射装置的夹角使反射光线由稀疏变密集，这样在密集区域正向光与反向光在原子气室中会发生交叉重叠。在重叠区域有正向入射的泵浦光也有反向入射的吸收光，由此产生原子气室中参考气体的饱和吸收光谱。本发明提供的这种方法可简化饱和吸收光谱的装置，使小型气室在常温下工作，提高装置集成度和长期稳定性，具有结构简单、小体积、低成本特点。

Description

一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法

技术领域

本发明涉及激光器频率稳定领域，尤其涉及一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法。

背景技术

近年来，随着半导体激光频率稳定技术的快速发展，稳频激光器得以在原子钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、核磁共振陀螺仪、量子模拟等方向获得重要的应用。其中利用原子超精细能级结构的亚多普勒饱和吸收光谱，将激光器的频率稳定在原子超精细能级的共振跃迁线，是获得频率稳定的激光光源最常用的方法之一。但该稳频方法需要将激光泵浦光和探测光分光路、分光强、偏振转变、分光路探测等操作，需要多个光学元器件，其中不乏一些比较昂贵元器件。这也带来了多个问题，比如多元器件会引入额外的系统噪声；装置体积大，不易于集成；成本高等缺点。另外在小型化原子气室中实现饱和吸收光谱需要增加额外的加热电路，增加了系统的功耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供了一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，通过单束激光在原子气室中的多次反射，在反射光路中出现正向光和反向光交叉重叠，在重叠区域有正向入射的泵浦光也有反向入射的吸收光，最后由光电探测器探测出射激光光强，由此实现原子气室中参考气体的饱和吸收光谱。该方法减少了光学器件个数，有效降低了由元器件产生的额外噪声；由于多次反射增加激光传输光程，可减小对原子密度的要求，即省去了小型原子气室加热电路，降低了功耗；该方法精简了昂贵的精密光学器件，有效压缩了成本，是一种可小型化、低成本、易于集成、非加热的饱和吸收光谱方法。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，包括如下步骤：

步骤一：打开外腔可调谐激光器，使激光处于频率扫描状态，保证激光平行于水平面出射；

步骤二：将红外视频镜头架于原子气室上部，观察原子气室内荧光发射；将光电探测器与示波器连接；

步骤三：将第一反射装置、第二反射装置左右错开分别放置于原子气室的前后两侧；使激光贴着第二反射装置的边缘入射进原子气室内，并在第一反射装置反射；调整第一反射装置的法线在水平面内与入射激光之间的夹角α，使入射激光在第一反射装置、第二反射装置之间发生多次反射；调整第一反射装置、第二反射装置的夹角β，直到在红外视频镜头的显示器中观察到激光反射从入射激光一侧开始先疏后密；

步骤四：固定激光入射方向和第一反射装置的位置，改变第一反射装置和第二反射装置的法线在水平面内的夹角β，在红外视频镜头的显示器中观察荧光发射，使激光沿第一反射装置的边缘射出，调整光电探测器的位置探测激光光强；

步骤五：通过示波器观察多次反射后的饱和吸收光谱，反复调节夹角α、夹角β，使饱和吸收光谱谱线清晰，饱和吸收峰锐利。

所述步骤三中，调整第一反射装置的法线在水平面内与入射激光之间的夹角α，使入射激光在第一反射装置、第二反射装置之间发生多次反射的次数在10次至15次范围内。

所述第一反射装置为全反射镜片或部分反射镜片或镀高反膜的原子气室内壁。

所述第二反射装置为全反射镜片或部分反射镜片或镀高反膜的原子气室内壁。

入射激光与第一反射装置的法线在水平面内的夹角α、第一反射装置和第二反射装置的夹角β有如下关系：α取值范围为β·n的1.1倍至1.4倍；其中，n为反射次数，为正整数。

所述原子气室内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明的方法使用单束激光多次反射式光路代替传统亚多普勒饱和吸收光谱的分束合束光路，依靠两个反射装置之间的小角度放置，在保证能够在两反射装置间实现多次反射的情况下，同时使产生多次反射光路区域的光线先稀疏后密集，在密集部分正向光和反向光产生交叉重叠，在重叠区域有正向入射的泵浦光也有反向入射的吸收光，由此实现原子气室中参考气体的饱和吸收光谱。本方案中大幅精简了光学元件，减少了噪声源，降低了稳频光谱的空间体积和装置成本。显著提高了稳频光谱的稳定性和集成性。

(2)本发明这种多次反射的方法使激光在原子气室内反射n次，激光在原子气室中传输光程增加到2n倍，若正向入射的泵浦光和反向入射的吸收光有50％重叠的情况下，所需原子气室的长度可以压缩为原来的1/n，明显的减小气室体积。在常温下可实现小型原子气室的饱和吸收光谱。

(3)本发明的方法较少了光学元器件，压缩了原子气室的体积，该方法相比现有技术手段整体尺寸减少了70％，成本可压缩为原来的1/3。

附图说明

图1是本发明基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法的原理图；

图2是本发明基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法的俯视角度示意图；

图3是本发明基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法的流程图；

图4是本发明基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法的饱和吸收光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。

本方法实现饱和吸收光谱的原理是：原子气室3中的参考气体在正向入射的扫描泵浦光作用下会产生原子的吸收光谱，当相同扫描激光反向入射作用于参考气体时，会在原有的吸收峰内产生饱和吸收峰，即形成原子的饱和吸收光谱。所以说饱和吸收光谱的形成必须有正向入射的泵浦光和反向入射的吸收光共同作用参考气体。本发明一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，就是通过两个反射装置使单束激光在原子气室多次反射实现饱和吸收光谱。

如图1所示，一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，依靠第一反射装置1、第二反射装置2使单束激光在原子气室3多次反射实现饱和吸收光谱。第一反射装置1和第二反射装置2置于原子气室3的前后两侧并且左右错开。入射激光紧贴第二反射装置2的边缘入射，穿过原子气室3，以一定角度入射至第一反射装置1，经第一反射装置1反射后激光再次穿过原子气室3并在第二反射装置2再次被反射出去，依此类推，激光经过多次反射后射出，并由光电探测器4接收。该方法的实现要求两个角度的存在，如图2所示，在水平面内入射激光与第一反射装置法线4的夹角α，以实现穿过原子气室3的激光在两反射装置内多次反射；第一反射装置的法线4与第二反射装置的法线5在水平面内的夹角为β，以实现多次反射光路先稀疏后密集，在密集部分正向入射光和反向入射光出现交叉重叠。在重叠区域有正向入射的泵浦光也有反向入射的吸收光，最后由光电探测器4探测出射激光光强，由此实现原子气室3中参考气体的饱和吸收光谱。

如图3所示，一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的实现方法，包括如下步骤：

a、打开外腔可调谐激光器，调整激光波长处于原子吸收光谱范围，使激光处于扫描状态，保证激光平行于水平面出射；

b、将红外视频镜头架于原子气室3上部，观察原子气室3是否出现荧光；将光电探测器4与示波器连接；

c、将两反射装置左右错开放置于原子气室3的前后两侧，使激光贴着第二反射装置2的边缘入射进原子气室，观察经第一反射装置1反射后激光的方向及是否产生多次反射，保持激光入射方向不变，先调整第一反射装置1的法线与入射激光之间的夹角α，直到在连接红外视频镜头的显示器中观察到激光多次反射产生的荧光；

d、固定激光入射方向和第一反射装置1的位置，调整第二反射装置2方向，即改变反射装置间夹角β，在连接红外视频镜头的显示器中观察荧光发射，使多次反射光线由稀疏变密集，同时能够保证激光沿第一反射装置1的另一边缘射出，并由光电探测器4位置，保证对出射激光的接收。反射n次激光出射角度为α的(0.1-0.4)倍；n为正整数。

e、通过示波器观察多次反射后的饱和吸收光谱，反复调节夹角α、夹角β，使饱和吸收光谱谱线清晰，饱和吸收峰锐利。

入射激光在水平面内以α角入射至第一反射装置1，以实现穿过原子气室3的激光在两反射装置内多次反射；

第一反射装置1和第二反射装置2置于原子气室3前后两侧，左右错开，两反射装置的法线在水平面内的夹角为β，以实现多次反射光路先稀疏后密集，在密集部分保证了正向入射泵浦光和反向入射的吸收光出现交叉重叠。两反射装置可为全反射镜片也可为部分反射镜片，也可以是镀高反膜的原子气室内壁。

入射激光与第一反射装置1的法线在水平面内的夹角α、第一反射装置1和第二反射装置2的法线方向在水平面内夹角β有如下关系：设反射次数为n，则α取值范围为β·n的(1.1-1.4)倍。通过调整α，β和n数值调整光线折返次数的个数和疏密顺序，实现对饱和吸收光谱的优化。

原子气室3内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。

通过多次使用验证，本发明方法器件少，操作简单、性能稳定，易于实现。

实施例1

激光由外腔式可调谐半导体激光器提供，激光偏振态为线偏振或者圆偏振；由分光镜或者偏振分束器分出一束激光作为入射激光，入射激光与第一反射镜1的法线在水平面内的夹角为3.5°左右；原子气室3为石英玻璃腔，内封装铷原子蒸汽，但未加入缓冲气体，压强10^-7Torr，提供原子光谱的非线性工作介质，本实施例原子气室3体积为12×10×5mm³；第一反射镜1和第二反射镜2为全反射镜片，尺寸与原子气室的侧壁相匹配，两反射镜的夹角约为0.3°，光电探测器4采用thorlabs FDS02硅光电管。图4为该实施例1中的Rb⁸⁷原子D2线饱和吸收光谱图。

实施例2

激光由外腔式可调谐半导体激光器提供，激光偏振态为线偏振或者圆偏振；由分光镜或者偏振分束器分出一束激光作为入射激光，入射激光与第一反射镜1的法线在水平面内夹角为3.5°左右；原子气室3为石英玻璃腔，内封装铷原子蒸汽，但未加入缓冲气体，压强10^-7Torr，提供原子光谱的非线性工作介质，本实施例原子气室3的体积为12×10×5mm³；第一反射镜1由原子气室3的内壁通过镀高反膜提供，反射率大于95％，第二反射镜2为全反射镜片；尺寸与原子气室3的侧壁相匹配，两反射镜的夹角约为0.3°；光电探测器4采用thorlabs FDS02硅光电管。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：打开外腔可调谐激光器，使激光处于频率扫描状态，保证激光平行于水平面出射；

步骤二：将红外视频镜头架于原子气室(3)上部，观察原子气室(3)内荧光发射；将光电探测器(4)与示波器连接；

步骤三：将第一反射装置(1)、第二反射装置(2)左右错开分别放置于原子气室(3)的前后两侧；使激光贴着第二反射装置(2)的边缘入射进原子气室(3)内，并在第一反射装置(1)反射；调整第一反射装置(1)的法线在水平面内与入射激光之间的夹角α，使入射激光在第一反射装置(1)、第二反射装置(2)之间发生多次反射；调整第一反射装置(1)、第二反射装置(2)的夹角β，直到在红外视频镜头的显示器中观察到激光反射从入射激光一侧开始先疏后密；

步骤四：固定激光入射方向和第一反射装置(1)的位置，改变第一反射装置(1)和第二反射装置(2)的法线在水平面内的夹角β，在红外视频镜头的显示器中观察荧光发射，使激光沿第一反射装置(1)的边缘射出，调整光电探测器(4)的位置探测激光光强；

步骤五：通过示波器观察多次反射后的饱和吸收光谱，反复调节夹角α、夹角β，使饱和吸收光谱谱线清晰，饱和吸收峰锐利；

所述步骤三中，调整第一反射装置(1)的法线在水平面内与入射激光之间的夹角α，使入射激光在第一反射装置(1)、第二反射装置(2)之间发生多次反射的次数在10次至15次范围内；

入射激光与第一反射装置(1)的法线在水平面内的夹角α、第一反射装置(1)和第二反射装置(2)的夹角β有如下关系：α取值范围为β·n的1.1倍至1.4倍；其中，n为反射次数，为正整数；

所述原子气室(3)内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，其特征在于，所述第一反射装置(1)为全反射镜片或部分反射镜片或镀高反膜的原子气室(3)内壁。

3.根据权利要求2所述的一种基于多次反射实现饱和吸收光谱的方法，其特征在于，所述第二反射装置(2)为全反射镜片或部分反射镜片或镀高反膜的原子气室(3)内壁。

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