CN108832477A - 基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置及光谱稳频 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学稳频，特别是一种主要用于微尺度超低功率激光频率无调制锁定的技术装置，基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置及光谱稳频，本发明是基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置及光谱稳频方法。基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置包括激光器、1/2波片、光棱镜、第一光纤耦合透镜、固定有锥形纳米光纤的碱金属原子蒸气池、磁场线圈、第二耦合透镜、1/4波片、第二偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、比例积分电路，本发明还涉及光谱稳频方法。本发明采用的微尺度、超低探测功率不仅能满足基本的实验用途，同时具备实现超小型化的应用前景。

Description

基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置及光谱稳频
技术领域
本发明涉及光学稳频，特别是一种主要用于微尺度超低功率激光频率无调制锁定的技术装置。
背景技术
近年来半导体激光技术迅猛发展，半导体激光器的性能不断提高，应用越来越广泛。由于体积较小及易操作等多种优点，目前激光冷却、激光频标、高分辨率激光光谱测量、高精度干涉计量等应用中所需要的窄频激光器也大多采用半导体激光器。
目前主流的稳频技术主要包括吸收线稳频、参考腔稳频、外腔反馈稳频等。其中，基于稳定的原子和分子吸收线，可以提供稳定的频率标准，目前被广泛应用于科学实验领域，最常见的方法是高分辨的饱和吸收光谱技术，包括基于原子吸收线调制与无调制稳频技术，通常适用的范围为宏观尺度。随着相关技术的发展，小型化、高稳定度的激光光锁频技术一直是人们努力的研究方向，包括小型化高精度的原子钟、原子导航陀螺仪等。目前常规的稳频技术所需的激光功率仍然较高且体积较大，限制着这些稳频技术小型化、商业化的进一步推进。
发明内容
本发明针对目前激光频率稳定技术中稳频装置体积大、功率较高，不易小型化的问题，提供一种普适性的微空间尺度、超低功率的稳频装置及光谱稳频方法。
锥形纳米光纤目前已经广泛应用于原子光学领域的研究中，它是由标准光纤绝热膨胀，最终形成一个亚波长（500nm）直径的束腰区域；激光在该区域形成强倏逝场使得光纤表面光子可与周围环境产生强相互作用；将该种光纤处于充满碱金属原子蒸气池时，利用极低的输入功率(pW)可以在束腰区域形成获得较高激光强度，这非常有利于增加激光与原子蒸气的相互作用，也是利用纳米光纤结合原子吸收稳频的基础。
本发明所采用的技术方案是：一种基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置，激光器1的出射光路上依次设有1/2波片2和第一偏振分光棱镜3，第一偏振分光棱镜3的透射光路上依次设有第一光纤耦合透镜4和固定有锥形纳米光纤的碱金属原子蒸气池5；所述碱金属原子蒸气池5外部环绕有磁场线圈6，磁场线圈6的磁场走向与第一偏振分光棱镜3的透射光路平行；锥形纳米光纤输出部分首先经过第二耦合透镜7，然后依次经过1/4波片8和第二偏振分光棱镜9；第二偏振分光棱镜9的透射光路上设有第一光电探测器10，第二偏振分光棱镜9的反射光路上设有第二光电探测器11，第一光电探测器10和第二光电探测器11的信号输出端分别连接减法器12的一个输入端，减法器12的信号输出端连接比例积分电路13的信号输入端；比例积分电路13的信号输出端与激光器1连接。
作为一种优选方式：所述碱金属原子蒸气池（5）中固定有铯原子蒸气包围的锥形纳米光纤。
一种纳米光纤超低功率吸收光谱稳频方法，激光器1发出的激光经过1/2波片2后照射到第一偏振分光棱镜3上，第一偏振分光棱镜3的透射光经过第一光纤耦合透镜4耦合至锥形纳米光纤的输入端，锥形纳米光纤被铯原子蒸气包围，锥形纳米光纤、铯原子蒸气、支架构成碱金属原子蒸气池5，碱金属原子蒸气池5外部环绕有磁场线圈6，激光通过锥形纳米光纤时，一方面与锥形纳米光纤表面的碱金属原子蒸气相互作用，另一方面基于塞曼效应在磁场线圈 6的作用下碱金属原子能级在锥形纳米光纤表面产生分裂，锥形纳米光纤输出部分依次经过1/4波片8和第二偏振分光棱镜9，在第二偏振分光棱镜9中分为左旋光σ+和右旋光σ-，第一光电探测器10和第二光电探测器11分别采集左旋光σ+和右旋光σ-并将其转换为相应的电信号，两路电信号在减法器12中相减获得鉴频信号，鉴频信号被比例积分电路13处理后输入到激光器1，重复以上过程实现激光器1的频率锁定。
本发明的有益效果是：本发明适用于高分辨率原子光谱、激光冷却和俘获原子实验、原子和介质界面相互作用研究等领域，本发明可以实现微型化实验装置，且采用皮瓦量级光强就可以实现，可以满足商用技术推广的要求。本发明结合原子吸收稳频和纳米光纤的独特优势，并结合外磁场实现激光的高精度稳频，同时，纳米光纤的亚波长尺度、极低的输入功率要求，使得该技术具备小型化与商业化的应用前景。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2为本发明涉及的锁频鉴频曲线； 图3为本发明所述的锁定效果示意图。
具体实施方式 一种基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置，包括激光器1及其驱动装置，激光器1的出射光路上顺序设有1/2波片2和第一偏振分光棱镜3，第一偏振分光棱镜3的透射射光路上设有高透过率的第一光纤耦合透镜4和固定有锥形纳米光纤的碱金属原子蒸气池5；所述碱金属原子蒸气池5外部环绕有磁场线圈6，磁场线圈6的磁场走向与第一偏振分光棱镜3的透射射光路平行；锥形纳米光纤输出部分首先经过高透过率的第二耦合透镜7，后续光路依次通过1/4波片8和第二偏振分光棱镜9；第二偏振分光棱镜9的透射光路上设有第一光电探测器10，第二偏振分光棱镜9的反射光路上设有第二光电探测器11，第一、第二光电探测器的信号输出端连接有减法器12；所述减法器12的信号输出端连接有比例积分电路13；比例积分电路13的信号输出端与激光器1的驱动装置相连接。
所述碱金属原子蒸气池（5）中固定有铯原子蒸气包围的锥形纳米光纤。一种纳米光纤超低功率吸收光谱稳频方法，激光器1发出的激光经过1/2波片2后照射到第一偏振分光棱镜3上，第一偏振分光棱镜3的透射光经过第一光纤耦合透镜4耦合至锥形纳米光纤的输入端，锥形纳米光纤被铯原子蒸气包围，锥形纳米光纤、铯原子蒸气、支架构成碱金属原子蒸气池5，碱金属原子蒸气池5外部环绕有磁场线圈6，激光通过锥形纳米光纤时，一方面与锥形纳米光纤表面的碱金属原子蒸气相互作用，另一方面基于塞曼效应在磁场线圈 6的作用下碱金属原子能级在锥形纳米光纤表面产生分裂，锥形纳米光纤输出部分依次经过1/4波片8和第二偏振分光棱镜9，在第二偏振分光棱镜9中分为左旋光σ+和右旋光σ-，第一光电探测器10和第二光电探测器11分别采集左旋光σ+和右旋光σ-并将其转换为相应的电信号，两路电信号在减法器12中相减获得鉴频信号，鉴频信号经比例积分电路13处理后输入到激光器1，重复以上过程实现激光器1的频率锁定。
如图1所示，在进行激光器频率锁定时，激光器输出的激光透过1/2波片，经第一偏振分光棱镜进行偏振纯化，获得偏振纯净的线偏激光；线偏激光由第一光纤耦合透镜汇聚后，高效耦合至锥形纳米光纤；锥形纳米光纤固定于玻璃真空气室（支架）中，玻璃真空气室外固定有磁场线圈（线圈可以有多个），通过外部磁场在锥形纳米光纤表面的碱金属原子产生塞曼能级偏移。当存在外部磁场时，由于原子的塞曼能级分裂，左旋光σ+对应的原子吸收曲线会发生平移，而右旋光σ-对应的原子吸收曲线会向相反方向平移。在第二偏振分光棱镜之间与第二汇聚透镜之间放置1/4波片，1/4波片和第二偏振分光棱镜的组合可分离经过锥形纳米光纤后产生的左旋光σ+ 和右旋光σ- 信号，左旋光σ+ 和右旋光σ- 信号分别由第一、第二光电探测器探测并通过减法器相减，即可获得无调制的鉴频信号，该鉴频信号将原本原子吸收曲线的峰值点转换为零点鉴频信号，最终经过比例积分电路送入激光器驱动装置，进行激光器频率锁定。由图3可以看出，本发明所使用的锁频方法使自由运行的宽频抖动信号转变成频率锁定的窄频信号，可以广泛运用于高分辨率激光光谱测量、高精度干涉计量等应用中去。
本发明为无调制、长期频率稳定，有效作用区域为纳米尺度，微空间尺度可用于小型化的稳频装置，且只需pW的吸收光就可以完成稳频。

Claims (3)

1.一种基于纳米光纤超低功率吸收光谱稳频装置，其特征在于：激光器（1）的出射光路上依次设有1/2波片（2）和第一偏振分光棱镜（3），第一偏振分光棱镜（3）的透射光路上依次设有第一光纤耦合透镜（4）和固定有锥形纳米光纤的碱金属原子蒸气池（5）；所述碱金属原子蒸气池（5）外部环绕有磁场线圈（6），磁场线圈（6）的磁场走向与第一偏振分光棱镜（3）的透射光路平行；锥形纳米光纤输出部分首先经过第二耦合透镜(7)，然后依次经过1/4波片（8）和第二偏振分光棱镜（9）；第二偏振分光棱镜（9）的透射光路上设有第一光电探测器（10），第二偏振分光棱镜（9）的反射光路上设有第二光电探测器（11），第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）的信号输出端分别连接减法器（12）的一个输入端，减法器（12）的信号输出端连接比例积分电路（13）的信号输入端；比例积分电路（13）的信号输出端与激光器（1）连接。
2.如权利要求1所述的一种纳米光纤超低功率吸收光谱频装置，其特征在于：所述碱金属原子蒸气池（5）中固定有铯原子蒸气包围的锥形纳米光纤。
3.一种纳米光纤超低功率吸收光谱稳频方法，其特征在于：激光器（1）发出的激光经过1/2波片（2）后照射到第一偏振分光棱镜（3）上，第一偏振分光棱镜（3）的透射光经过第一光纤耦合透镜（4）耦合至锥形纳米光纤的输入端，锥形纳米光纤被铯原子蒸气包围，锥形纳米光纤、铯原子蒸气、支架构成碱金属原子蒸气池（5），碱金属原子蒸气池（5）外部环绕有磁场线圈（6），激光通过锥形纳米光纤时，一方面与锥形纳米光纤表面的碱金属原子蒸气相互作用，另一方面基于塞曼效应在磁场线圈 （6）的作用下碱金属原子能级在锥形纳米光纤表面产生分裂，锥形纳米光纤输出部分依次经过1/4波片（8）和第二偏振分光棱镜（9），在第二偏振分光棱镜（9）中分为左旋光σ+和右旋光σ-，第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）分别采集左旋光σ+和右旋光σ-并将其转换为相应的电信号，两路电信号在减法器（12）中相减获得鉴频信号，鉴频信号被比例积分电路（13）处理后输入到激光器（1），重复以上过程实现激光器（1）的频率锁定。
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