CN109060304A - 一种cpt原子钟的vcsel激光器性能检测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法和系统。该检测方法的原理是：利用分光棱镜将激光分成多束，同时测量激光功率、线宽和原子作用光谱特性。利用光功率计测量激光功率，利用外腔半导体激光和频谱仪测量激光线宽，利用原子气室测量激光光谱特性。通过一体化设计，实现对激光器性能的同时检测。激光器是CPT原子钟内的核心元器件，此方法可以同时测量激光器的主要性能指标，极大地提高了激光器检测效率，提高CPT原子钟批生产速率。同时该方法实施所需的光学元器件均可小型化、模块化，实现难度低、可扩展性强、具有商品化优势。

Description

一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法和系统
技术领域
本发明涉及激光技术领域。更具体地，涉及一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法和系统。
背景技术
在原子钟研究领域，主要的研究对象为微波原子钟和光频原子钟。目前已经商品化的为微波原子钟，主要包括氢钟、铷钟、铯束钟和铯喷泉钟。这些原子钟都具有较大体积和较高价格，同时受限于工作原理，体积上缺少缩小的空间，限制了其小型化、微型化发展。CPT(Coherent Population Trapping)原子钟突破了传统原理，可以实现微型化，目前的主要研究都集中在芯片化上。VCSEL激光器为CPT原子钟内的核心器件，目前该激光器的生产厂家少，产品一致性较差，不能保证每个激光器都达到预期指标和性能。因此在CPT原子钟的批生产过程中，需要一些检测方法，检测VCSEL激光器性能，筛选出不合格产品，从而保证批生产的顺利进行。
在原子钟的研发、科学研究过程中，研究人员关注激光器的功率、线宽、光谱特性等指标，但是通常各项指标单独测试，单独搭建测试平台，这限制了激光器的检测效率。因此，需要一种新的检测方法，提高检测的效率。
发明内容
基于以上背景技术，本发明提供一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法和系统，以提高VCSEL激光器性能检测效率，加快CPT原子钟产品化进程。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法，通过分光棱镜将VCSEL激光器发射出的单束激光分束为多束激光；
所述多束激光中的每束单独进行一项性能检测。
优选地，VCSEL激光器发射出的单束激光进行分束前先经过准直透镜进行准直。
优选地，所述多束激光为三束；所述性能检测包括激光功率、线宽和原子作用光谱特性。
优选地，VCSEL激光器发射出的单束激光通过第一分光棱镜分束为两束，其中一束经过第二分光棱镜再次分束为两束。
优选地，VCSEL激光器发射出的单束激光通过第一分光棱镜分束为两束，其中一束用于检测激光功率，另一束经过第二分光棱镜再次分束为两束，分别用于检测激光线宽和原子作用光谱特性。
优选地，所述激光功率通过光功率计测量；所述激光线宽通过外差拍频探测方法进行测量；所述原子作用光谱特性通过将激光打入原子系统，利用光电探测器测量原子吸收信号测量。
本发明提出的一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法，通过设置合理的激光光路、设置合适的机械架对光路进行调节，实现检测方法的通用性和高效性。原理清晰、可实现性强。本发明将促进CPT原子钟产品化发展。
本发明提出的检测方法综合了多项指标测量方法，系统性强。可进一步开发出专用的激光检测平台，应用广、适用性强。
本发明另一方面还提供一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测系统，包括：固定架、第一分光棱镜、第二分光棱镜、激光功率测量装置、激光线宽测量装置和原子作用光谱特性测量装置；
所述VCSEL激光器固定安装在固定架上，并通过固定架调节VCSEL激光器的位置及俯仰角度，以调整光路；
所述VCSEL激光器发射出的单束激光经过所述第一分光棱镜分束为两束激光；其中一束进入所述激光功率测量装置进行激光功率的检测，另一束经过所述第二分光棱镜再次分束为两束，其中一束进入激光线宽测量装置进行激光线宽的检测，另一束进入原子作用光谱特性测量装置进行原子作用光谱特性的检测。
优选地，所述检测系统还包括准直透镜，所述VCSEL激光器发射出的单束激光在进入第一分光棱镜分束前先经过准直透镜进行准直。
优选地，所述激光功率测量装置为光功率计；
所述激光线宽测量装置包括外腔半导体激光器、高速雪崩光电二极管和频谱仪；
所述外腔半导体激光器发射出的激光通过第二分光棱镜与经过第二分光棱镜分束后的一束激光合束后，打入所述高速雪崩光电二级管，所述高速雪崩光电二级管响应两束激光的差频信号；调节外腔半导体激光器的激光频率，将两束激光的拍频信号频率差，通过所述频谱仪观测；
所述原子作用光谱特性测量装置包括原子气室和光电探测器；
经过第二分光棱镜分束后的另一束激光打入原子气室，特定频率的光会被原子吸收，利用光电探测器测量透射光强度变化，得到光谱特性。
优选地，所述检测系统还包括计算机；所述计算机用以接收和处理检测系统测量到的数据，并判断所述VCSEL激光器的性能是否合格。
本发明的有益效果如下：
本发明综合了对激光器功率、线宽和光谱特性的测量方法，形成了一个系统级的检测方法，用于CPT原子钟内的VCSEL激光器检测。本发明将提高VCSEL检测效率，加快CPT原子钟商品化进程。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明一种VCSEL激光器性能检测系统。
图2为本发明一种优选实施例的VCSEL激光器性能检测系统。
图3为本发明另一种优选实施例的VCSEL激光器性能检测系统。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例部分以分束为三束分别进行激光功率、线宽和与原子作用光谱为例进行说明。
如图1所示，本发明提供一个优选实施例，一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测系统，包括：固定架、第一分光棱镜、第二分光棱镜、激光功率测量装置、激光线宽测量装置和原子作用光谱特性测量装置；
待测激光器固定安装在固定架上，并通过固定架调节待测激光器的位置及俯仰角度，以调整光路；
待测激光器发射出的单束激光经过所述第一分光棱镜分束为两束激光；其中一束进入所述激光功率测量装置进行激光功率的检测，另一束经过所述第二分光棱镜再次分束为两束，其中一束进入激光线宽测量装置进行激光线宽的检测，另一束进入原子作用光谱特性测量装置进行原子作用光谱特性的检测。
其中的分光棱镜，包括但不限于偏振分光棱镜、消偏振分光棱镜、半透半反镜、以及各种镀膜的部分反射镜。
本发明的VCSEL激光器性能检测方法，通过适当的光路设置，可以同时测量激光的功率、线宽和原子作用光谱特性。所述激光功率、线宽、与原子作用光谱，为激光器的重要指标，这些指标将进一步影响CPT原子钟的最终指标。
其中同时测量，为利用分光棱镜对激光进行分束、利用机械架对光路进行调节实现。利用两个分光棱镜将单束激光分成三束激光，分别用于功率、线宽和光谱测量。该检测方法可以快速筛选出合格和不合格的激光器，减少CPT原子钟批生产过程中出问题的几率，提高生产效率。
在本优选实施例中，如图1所示，所述激光功率测量装置为光功率计；
所述激光线宽测量装置包括外腔半导体激光器、高速雪崩光电二极管和频谱仪；所述外腔半导体激光器发射出的激光通过第二分光棱镜与经过第二分光棱镜分束后的一束激光合束后，打入所述高速雪崩光电二级管，所述高速雪崩光电二级管响应两束激光的差频信号，并将信号频差调节到微波频率，通过所述频谱仪观测；
激光线宽的测量采用的是外差拍频探测方法。该方法使用两台频率相近的激光(频率分别为和)，经过空间合束，打入高速雪崩光电二级管，二极管可以响应两束激光的差频信号调节外腔半导体激光器的激光频率，将两束激光的拍频信号频率差调节到微波频率，用频谱仪观测。所述外差拍频探测方法，测量到的拍频信号包含两套激光的线宽信息，为两套激光线宽的卷积。在其中一台激光线宽远小于另一台激光线宽的情况下，测量结果可认为是单台激光线宽。通常外腔半导体激光器线宽在100kHz以内，远小于待测VCSEL激光器的激光线宽(通常为100-200MHz)，因此选择外腔半导体激光器。
所述原子作用光谱特性测量装置包括原子气室和光电探测器；经过第二分光棱镜分束后的另一束激光打入原子气室，特定频率的光会被原子吸收，利用光电探测器测量透射光强度变化，得到光谱特性。所述原子气室，为透明玻璃气室，内部填充铷或铯原子，以及必要的缓冲气体。
由于有光斑发散问题，如图2所示，在另一优选实施例中，待测激光器出射激光后首先经过准直透镜进行准直。所述准直透镜，通常为镀增透膜的准直镜，以减小激光功率损耗，也可以使用未镀膜的准直镜。准直透镜固定在调整架上，通过调整架，可调节其空间位置及俯仰角度。
更进一步的，如图3所示，所述检测系统还包括计算机；所述计算机用以接收和处理检测系统测量到的数据，并判断所述VCSEL激光器的性能是否合格。具体的，光功率计连接计算机，频谱仪、光电探测器导出数据后用计算机处理。
在本优选实施例中，利用本发明的检测方法测试铷CPT原子钟的795nm VCSEL激光器性能，待测激光器为795nm VCSEL激光器，外腔半导体激光器为795nm外腔半导体激光器，原子气室为铷原子气室。
首先检测各仪器设备是否正常工作，正常工作后，光功率计连接计算机，频谱仪、光电探测器导出数据后用计算机处理。放置795nm VCSEL激光器并点亮，出射激光。之后通过机械架调节激光光路，使激光顺利分成三束，到达各自探测设备，由各个测量设备记录数据。对于测量到的指标，与目标指标进行比对，判断激光器是否满足要求。
本发明的VCSEL激光器性能检测方法，其检测步骤为：
(1)搭建好空间光路，光功率计、频谱仪、探测器、外腔半导体激光器等设备处于正常工作状态；
(2)放置待测VCSEL激光器，开启激光，适当调节空间位置及俯仰角度，使激光顺利到达后级探测设备；
(3)分别记录激光功率、频谱仪线宽、探测器上光谱，判断激光器是否合格；
(4)取下VCSEL激光器，准备下一个激光器的测量。
本发明的检测系统和方法可实现VCSEL激光器的流程式检测，实现快速批量的检测。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测方法，其特征在于，通过分光棱镜将VCSEL激光器发射出的单束激光分束为多束激光；
所述多束激光中的每束单独进行一项性能检测。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，VCSEL激光器发射出的单束激光进行分束前先经过准直透镜进行准直。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述多束激光为三束；所述性能检测包括激光功率、线宽和原子作用光谱特性。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，VCSEL激光器发射出的单束激光通过第一分光棱镜分束为两束，其中一束经过第二分光棱镜再次分束为两束。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，VCSEL激光器发射出的单束激光通过第一分光棱镜分束为两束，其中一束用于检测激光功率，另一束经过第二分光棱镜再次分束为两束，分别用于检测激光线宽和原子作用光谱特性。
6.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述激光功率通过光功率计测量；
所述激光线宽通过外差拍频探测方法进行测量；
所述原子作用光谱特性通过将激光打入原子系统，利用光电探测器测量原子吸收信号测量。
7.一种CPT原子钟的VCSEL激光器性能检测系统，其特征在于，包括：固定架、第一分光棱镜、第二分光棱镜、激光功率测量装置、激光线宽测量装置和原子作用光谱特性测量装置；
所述VCSEL激光器固定安装在固定架上，并通过固定架调节VCSEL激光器的位置及俯仰角度，以调整光路；
所述VCSEL激光器发射出的单束激光经过所述第一分光棱镜分束为两束激光；其中一束进入所述激光功率测量装置进行激光功率的检测，另一束经过所述第二分光棱镜再次分束为两束，其中一束进入激光线宽测量装置进行激光线宽的检测，另一束进入原子作用光谱特性测量装置进行原子作用光谱特性的检测。
8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括准直透镜，所述VCSEL激光器发射出的单束激光在进入第一分光棱镜分束前先经过准直透镜进行准直。
9.根据权利要求8所述的检测系统，其特征在于，所述激光功率测量装置为光功率计；
所述激光线宽测量装置包括外腔半导体激光器、高速雪崩光电二极管和频谱仪；
所述外腔半导体激光器发射出的激光通过第二分光棱镜与经过第二分光棱镜分束后的一束激光合束后，打入所述高速雪崩光电二级管，所述高速雪崩光电二级管响应两束激光的差频信号；调节外腔半导体激光器的激光频率，将两束激光的拍频信号频率差调节到微波频率，通过所述频谱仪观测；
所述原子作用光谱特性测量装置包括原子气室和光电探测器；
经过第二分光棱镜分束后的另一束激光打入原子气室，特定频率的光会被原子吸收，利用光电探测器测量透射光强度变化，得到光谱特性。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括计算机；
所述计算机用以接收和处理检测系统测量到的数据，并判断所述VCSEL激光器的性能是否合格。
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