CN110854663B - 一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，包括激光器1、第一λ/2波片2、第一PBS3、第二λ/2波片5、第二PBS6、第一45°反射镜7、λ/4波片9、第二45°反射镜11、原子气室8、第一50:50非偏振分束镜10、液晶延迟器12、第三PBS20、第二50:50非偏振分束镜21、第三50:50非偏振分束镜14、第一差分光电探测器19、第二差分光电探测器15、第一PID23和第二PID13。本发明是在偏振光谱稳频的基础上，通过光学方法将光谱的零点漂移量提取出来，再通过反馈回路反馈调节液晶延迟器，使光谱信号中心始终为锁定零点，解决了偏振光谱稳频长期零点漂移较大的问题。

Description

一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统
技术领域
本发明属于原子物理领域，涉及偏振光谱稳频技术，具体涉及一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统。
背景技术
在原子物理和量子光学相关研究中，激光稳频技术是压窄激光线宽和实现激光频率稳定的必要手段。利用原子跃迁线，可以实现激光稳频，常用的激光稳频方法由饱和吸收光谱稳频、偏振光谱稳频、双色光谱稳频、调制转移光谱稳频和PDH(Pound-Drever-Hall)稳频等。其中，偏振光谱稳频由于锁频线宽较窄，操作简单，所需的光学元器件和实验仪器较少，性价比较高，在实验中得到了广泛应用。
偏振光谱稳频(Polarization Spectroscopy，PS)是利用原子对不同偏振的光吸收不同以及不同偏振的光在原子气室中传播的速度不同实现激光的无调制锁频，其装置示意图如图1所示，主要分为光源、稳频系统，光源为可实现原子跃迁波长激光输出的激光器，稳频系统由光路部分和电路部分组成，光路部分实现偏振光谱信号输出，电路部分主要实现鉴频信号到激光器的反馈控制。首先是光路部分，通过λ/2波片、λ/4波片、偏振分束立方体(Polarization beam splitter，PBS)、45°反射镜和原子气室等光学元器件实现。激光器出射激光经λ/2波片2和PBS分束后一小部分作为稳频激光，稳频激光再经λ/2波片2和PBS分为两束线偏振光，反射的为S偏振的探测光，透射的为P偏振的泵浦光，泵浦光经λ/4波片6后变为圆偏振光，探测光和圆偏振的泵浦光反向穿过原子气室重合，通过λ/4波片可以改变泵浦光偏振，从而使探测光的透射峰信号最大。探测光通过原子气室再经λ/2波片和PBS后分束后获得原子对不同偏振的激光的吸收光谱信号。在电路上，通过差分探测器9(Differential power detector，DPD)将光谱信号转化成电信号，并实现差分放大，获得偏振光谱信号，探测器输出信号经放大滤波后通过PID10(Proportion IntegrationDifferentiation)将误差信号反馈给激光器1的PZT(Piezoelectric ceramic)电压调制和电流调制端口，控制激光频率锁定在原子跃迁线上。
偏振光谱锁频由于不对激光器进行调制，锁定后噪声较低；在实验光路方面，直接通过差分探测的鉴频信号对激光器进行反馈，一定程度上减少了实验仪器的使用，节约了成本。但是由于是通过原子对不同偏振光的吸收不同产生的鉴频信号，在进行频率锁定时，锁频点会随光功率和偏振的变化而改变，对于实验的长期测量会引入较大的误差。
由于偏振光谱稳频的长期稳定性较差，在实验上，长期测量多采用调制转移光谱和PDH锁频等方法对激光器进行稳频，但是这两种方法光路较复杂，所需元器件也较昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种所需元器件较少、成本较低、操作简单，可以解决偏振光谱稳频长期稳定性较差的抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，其特征在于：包括光源、第一λ/2波片、第一PBS、第二λ/2波片、第二PBS、第一45°反射镜、λ/4波片、第二45°反射镜、原子气室、第一50:50非偏振分束镜、液晶延迟器、第三PBS、第二50:50非偏振分束镜、第三50:50非偏振分束镜、第一差分光电探测器、第二差分光电探测器、第一PID和第二PID；
光源产生的激光经第一λ/2波片和第一PBS分光，一束用于偏振光谱稳频，一束为待使用激光；偏振稳频的激光经第二λ/2波片和第二PBS分光，反射的S偏振探测光直接通过原子气室，透射的P偏振泵浦光经过第一45°反射镜反射、λ/4波片和第二45°反射镜反射后通过第一50:50非偏振分束镜与探测光在原子气室中重合；在探测光与泵浦光经第一个50:50非偏振分束镜合束后，探测光分束探测部分使用液晶延迟器配合第三个PBS将探测光分为两束偏振方向垂直的线偏振光；其中透射的P偏振光通过第二个50:50非偏振分束镜分为两束功率、偏振相同的P偏振光，一束P偏振光进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光进入第二差分光电探测器一个探头；其中反射的S偏振光通过第三个50:50非偏振分束镜同样分为两束功率、偏振相同的S偏振光，两束S偏振光分别进入两个差分光电探测器的另外两个探头；第一个差分光电探测器输出偏振光谱信号，通过第一个PID反馈控制光源；第二个差分光电探测器信号经内部滤波后输出直流信号，直流信号经第二个PID反馈控制液晶延迟器的电压。
而且的，还包括第三45°反射镜、第四45°反射镜、第五45°反射镜、第六45°反射镜；一束P偏振光经过第三45°反射镜反射后进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光经过第四45°反射镜、第五45°反射镜和第六45°反射镜连续反射后进入第二差分光电探测器一个探头。
而且的，所述光源采用与原子跃迁频率相近的可调谐的单模激光器。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明在传统偏振光谱稳频的基础上通过灵活运用相应的光学元器件提取了零点漂移量，采用PID反馈技术，反馈消除了零点漂移量。
2、本发明在偏振分光中使用了液晶延迟器和PBS组合，可以通过稳压电源精确控制分光比例，降低了波片变化引起的零点漂移。
3、本发明设计的消除零点漂移的偏振光谱稳频光路简单，所使用元器件较少，操作方便，适用于原子跃迁频率附近的激光器稳频。
附图说明
图1是传统偏振光谱稳频装置示意图；
图2是本发明抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1是在实验中常用的偏振光谱稳频系统，可以清晰的看到光源和稳频部分。稳频系统的光路部分如图中框图所示，电路部分主要对光电探测器的输出信号进行PID反馈，主要由PID控制模块实现。激光器产生激光经λ/2波片和PBS分光，一束用于偏振光谱稳频，一束为待使用激光；偏振稳频的激光再经另一λ/2波片和另一PBS(偏振分光棱镜)分光，反射的S偏振探测光直接通过原子气室，透射P偏振的泵浦光经过两个45°反射镜和λ/4波片后通过50:50非偏振分束镜与探测光在原子气室中重合，探测光经分束镜后通过再另一λ/2波片和再另一PBS分光，透射P偏振光直接进入差分光电探测器的一个探头，反射S偏振的光经另一45°反射镜反射后进入差分光电探测器的另一个探头，转化成电信号经PID处理后反馈控制激光器进行稳频。
下面结合附图2对本发明抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统详述如下，以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明抑制零点漂移的偏振光谱稳频系统的保护范围
本发明抑制零点漂移的偏振光谱稳频系统的核心功能作进一步详述。
一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，包括光源1、第一λ/2波片2、第一PBS3、第二λ/2波片5、第二PBS6、第一45°反射镜7、λ/4波片9、第二45°反射镜11、原子气室8、第一50:50非偏振分束镜10、液晶延迟器12、第三PBS20、第二50:50非偏振分束镜21、第三50:50非偏振分束镜14、第一差分光电探测器19、第二差分光电探测器15、第一PID23和第二PID13。
光源产生的激光经第一λ/2波片和第一PBS分光，一束用于偏振光谱稳频，一束为待使用激光4；偏振稳频的激光经第二λ/2波片和第二PBS分光，反射的S偏振探测光直接通过原子气室，透射P偏振的泵浦光经过第一45°反射镜反射、λ/4波片和第二45°反射镜反射后通过第一50:50非偏振分束镜与探测光在原子气室中重合；在探测光与泵浦光经第一个50:50非偏振分束镜合束后，探测光分束探测部分使用液晶延迟器配合第三个PBS将探测光分为两束偏振方向垂直的线偏振光；其中透射的P偏振光通过第二个50:50非偏振分束镜分为两束功率、偏振相同的P偏振光，一束P偏振光进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光进入第二差分光电探测器一个探头；其中反射的S偏振光通过第三个50:50非偏振分束镜同样分为两束功率、偏振相同的S偏振光，两束S偏振光分别进入两个差分光电探测器的另外两个探头；第一个差分光电探测器输出偏振光谱信号，通过第一个PID反馈控制光源；第二个差分光电探测器信号经内部滤波后输出直流信号，直流信号经第二个PID反馈控制液晶延迟器的电压。由于液晶延迟器可以通过电压控制延迟激光的相位，可以通过改变液晶延迟器的电压配合PBS改变探测光分束比例，从而改变偏振光谱鉴频信号零点，这在原理上为消除偏振光谱稳频中的零点漂移提供了基础。
上述结构中，还包括第三45°反射镜17、第四45°反射镜22、第五45°反射镜18、第六45°反射镜16；一束P偏振光经过第三45°反射镜反射后进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光经过第四45°反射镜、第五45°反射镜和第六45°反射镜连续反射后进入第二差分光电探测器一个探头。
上述结构中，所述光源采用与原子跃迁频率相近的可调谐的单模激光器。
本发明抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统在光信号的接收部分做出了较大改进，引入液晶延迟器，并在原来一个PID控制模块的基础上，再增设一个PID控制模块，一个PID反馈控制激光器，另一个PID反馈控制液晶延迟器的电压，通过对液晶延迟器驱动电压的精确控制，可以实现较稳定的差分光信号产生，同样电压控制的液晶延迟器也为零点漂移信号的反馈机制提供了基础。具体为：
1、在传统偏振光谱稳频的基础上增加了零点漂移反馈系统，分别选取两个BS分束后的探测光通过差分光电探测器进行差分放大，提取其漂移量，此漂移量与参与偏振光谱的偏移量是同步变化的，利用此漂移量通过PID反馈改变液晶延迟器的控制电压，从而将偏振光谱的鉴频信号中心锁定在零点。
2、在偏振光谱中使用了液晶延迟器配合PBS对探测光进行了分光，分成了两束偏振方向垂直的线偏振光，满足偏振光谱稳频要求的同时，降低了探测光偏振漂移量，同时由电压控制液晶延迟器为补偿零点漂移奠定了基础。
3、通过在探测器前使用BS对两束探测光分别进行分光，再通过对其中两束不同偏振的探测光进行差分放大，实时提取偏振光谱稳频的零点漂移量。
4、利用提取的漂移量通过PID直接反馈控制液晶延迟器的控制电压，将偏振光谱的鉴频信号中心锁定在零点。
综上，该抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统在国内是首次提出，可以有效地抑制偏振光谱稳频的长期漂移，提高稳频长期稳定型。该方案光路结构紧凑，操作简单，有较高的实用性。采用该方法后，冷原子干涉相关实验中稳频激光线宽较窄，长期稳定性较高，可以实现长期连续测量。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，其特征在于：包括光源、第一λ/2波片、第一PBS、第二λ/2波片、第二PBS、第一45°反射镜、λ/4波片、第二45°反射镜、原子气室、第一50:50非偏振分束镜、液晶延迟器、第三PBS、第二50:50非偏振分束镜、第三50:50非偏振分束镜、第一差分光电探测器、第二差分光电探测器、第一PID和第二PID；
光源产生的激光经第一λ/2波片和第一PBS分光，一束用于偏振光谱稳频，一束为待使用激光；偏振稳频的激光经第二λ/2波片和第二PBS分光，反射的S偏振探测光直接通过原子气室，透射的P偏振泵浦光经过第一45°反射镜反射、λ/4波片和第二45°反射镜反射后通过第一50:50非偏振分束镜与探测光在原子气室中重合；在探测光与泵浦光经第一个50:50非偏振分束镜合束后，探测光分束探测部分使用液晶延迟器配合第三个PBS将探测光分为两束偏振方向垂直的线偏振光；其中透射的P偏振光通过第二个50:50非偏振分束镜分为两束功率、偏振相同的P偏振光，一束P偏振光进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光进入第二差分光电探测器一个探头；其中反射的S偏振光通过第三个50:50非偏振分束镜同样分为两束功率、偏振相同的S偏振光，两束S偏振光分别进入两个差分光电探测器的另外两个探头；第一个差分光电探测器输出偏振光谱信号，通过第一个PID反馈控制光源；第二个差分光电探测器信号经内部滤波后输出直流信号，直流信号经第二个PID反馈控制液晶延迟器的电压。
2.根据权利要求1所述的抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，其特征在于：还包括第三45°反射镜、第四45°反射镜、第五45°反射镜、第六45°反射镜；一束P偏振光经过第三45°反射镜反射后进入第一差分光电探测器的一个探头，另一束P偏振光经过第四45°反射镜、第五45°反射镜和第六45°反射镜连续反射后进入第二差分光电探测器一个探头。
3.根据权利要求1所述的抑制锁频零点漂移的偏振光谱稳频系统，其特征在于：所述光源采用与原子跃迁频率相近的可调谐的单模激光器。
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