CN111244754B - 一种基于亚自然线宽光谱的激光稳频装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于新型亚自然线宽光谱的激光稳频装置及方法。来自同一激光光源的两束线偏振激光(即泵浦光与探测光)同时作用于原子气室中的同一批碱金属原子，当泵浦光与探测光的偏振方向存在一定非零夹角且泵浦光传播方向与探测光传播方向在原子气室内相反时，泵浦光与探测光同时耦合碱金属原子基态多个能级，形成低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱。根据这种亚自然线宽光谱对激光光源的控制电路进行反馈控制，实现一种只利用一个激光光源就能够达到亚自然线宽的激光频率稳定装置及方法，在不增加稳频装置复杂性的基础上提高了稳频效果。

Description

一种基于亚自然线宽光谱的激光稳频装置及方法
技术领域
本发明属于激光稳频技术领域，涉及一种基于新型亚自然线宽光谱的激光稳频装置及方法，用于将激光线宽控制到原子自然线宽以下，从而提高激光频率的稳定性。
背景技术
激光稳频技术一直是激光控制技术中的重要研究方向，该技术被广泛应用于激光物理、原子分子物理、量子光学等多个研究领域。目前，常用的激光稳频技术所使用的光谱为消多普勒光谱，如饱和吸收光谱、偏振谱等，其光谱线宽均不小于原子的自然线宽，因此基于此类光谱的激光稳频技术只能将激光线宽控制在自然线宽的同等水平。虽然基于电磁感应透明或吸收的相干光谱可以获得优于原子自然线宽的亚自然线宽光谱，但此类光谱通常需要两个激光光源且其中一台已经实现激光频率稳定，装置较为复杂，实现成本较高。故需要一种低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱，以提高稳频效果。
发明内容
为了在不增加过多装置复杂性和实现成本的基础上，提高目前激光稳频技术的稳频效果，本发明提供了一种基于新型亚自然线宽光谱的激光稳频装置与方法。这种装置与方法利用原子基态多个能级耦合获得了一种新型的亚自然线宽光谱，并基于此光谱实现了将激光线宽压窄到自然线宽以下的效果。
本发明的工作机理是：来自同一激光光源的两束线偏振激光(即泵浦光与探测光)同时作用于原子气室中的同一批碱金属原子，当泵浦光与探测光的偏振方向存在一定非零夹角且泵浦光传播方向与探测光传播方向在原子气室内相反时，泵浦光与探测光同时耦合碱金属原子基态多个能级，形成低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱。根据这种亚自然线宽光谱对激光光源的控制电路进行反馈控制，实现一种只利用一个激光光源就能够达到亚自然线宽的激光稳频装置与方法，在不增加稳频装置复杂性的基础上提高了稳频效果。
激光稳频装置包括激光光源1、亚自然线宽光谱产生光路2、信号处理电路3；激光光源1、亚自然线宽光谱产生光路2、信号处理电路3依次通过激光光路连接；
所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6构成；
激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、亚自然线宽光谱产生光路2；
激光控制电路5由电流源7、温度控制器8构成，其中电流源7给半导体激光器4 提供电流，温度控制器8控制半导体激光器4达到所需温度，温度控制器8接收半导体激光器4反馈的实时温度值；
所述的亚自然线宽光谱产生光路2由偏振分束棱镜9、二分之一波片10、反射镜组11、原子气室12构成；
激光光源1发射出的激光透过偏振分束棱镜9后分为探测光13与泵浦光14；
探测光13透过原子气室12后被信号处理电路3接收；
泵浦光14依次经过二分之一波片10、反射镜组11、原子气室12，在原子气室12 中的传播路径与探测光13在原子气室12中的传播路径部分重叠且传播方向相反；
泵浦光14经过二分之一波片10后的偏振方向与探测光13的偏振方向存在一定非零夹角；
泵浦光14与探测光13同时耦合碱金属原子基态多个能级，形成低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱。
原子气室12由包含碱金属饱和蒸汽且不包含其他缓冲气体的玻璃泡构成；
所述的信号处理电路3由光电探测器16、反馈控制器17构成；
光电探测器16采集透过亚自然线宽光谱产生光路2的探测光13产生的电信号，然后传递给反馈控制器17处理，由反馈控制器17对激光器控制电路5进行反馈控制。
本发明对激光稳频装置的调节方法具体是：
步骤(1).调节激光稳频装置中的激光光源1：
首先调节激光器控制电路5中电流源7、温度控制器8，保持半导体激光器4发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器4发射出的激光波长与亚自然线宽光谱产生光路2中碱金属原子基态能级共振；将偏振片6垂直置于激光光束方向，使得半导体激光器4发出的激光转变为线偏振激光；
步骤(2).调节激光稳频装置中的亚自然线宽光谱产生光路2：
将偏振分束棱镜9垂直置于激光光束传播方向，调节偏振片6，使得由激光光源1发出的线偏振激光分为偏振方向垂直的泵浦光14和探测光13；探测光13经过原子气室12，与原子气室12中装载的碱金属原子相互作用；将二分之一波片10垂直置于泵浦光14传播方向，调节二分之一波片10，使得泵浦光14偏振方向与探测光12偏振方向呈非零夹角；调节反射镜组11，使得经过二分之一波片10的泵浦光14经过原子气室12，并与探测光13在原子气室12中的传播路径部分重叠且传播方向相反；
步骤(3).调节激光稳频装置中的信号处理电路3：
光电探测器16将经过原子气室12的探测光13的光强值转变成电压值，电压值与激光光源1发出的激光频率的关系如公式(1)：
Figure BDA0002378058150000031
其中，Y为电压值，X为激光频率，π是圆周率，k为比例系数，是定值，υ为光谱线宽，f0为碱金属原子基态能级共振频率；
调节亚自然线宽光谱产生光路2中的二分之一波片10，使得公式(1)中的υ小于碱金属原子基态能级的自然线宽υ0，从而获得亚自然线宽光谱；
调节反馈控制器17，使得反馈控制器17根据公式(1)对激光光源1中的激光控制电路5进行反馈控制，保证激光光源1输出的激光频率X等于碱金属原子基态能级共振频率f0，此时稳频后的激光线宽小于碱金属原子基态能级的自然线宽υ0。
原子气室中仅包含碱金属原子，不包含任何缓冲气体。
激光波长在偏振片、二分之一波片、偏振分束棱镜、反射镜组的波长范围内。
传统的激光稳频技术基于消多普勒的饱和吸收光谱、偏振谱等光谱，其光谱线宽一般不小于碱金属原子基态能级的自然线宽υ0，因此基于传统激光稳频技术的激光线宽一般不小于碱金属原子基态能级的自然线宽υ0。
利用本发明方法后，根据步骤(3)可知，通过调节亚自然线宽光谱产生光路2中的二分之一波片10，可以获得小于碱金属原子基态能级自然线宽υ0的亚自然线宽光谱，利用此光谱进行激光稳频，将获得激光线宽小于碱金属原子基态能级自然线宽υ0的激光，从而提高激光频率的稳定性。
本发明的优点是：一、操作简单，仅需操作激光稳频装置中的激光光源1、亚自然线宽光谱产生光路2、信号处理电路3三个部分；二、激光线宽窄，通过激光稳频装置获得亚自然线宽光谱并基于此光谱实现激光线宽小于碱金属原子基态能级自然线宽υ0，提高了激光频率的稳定性；三、装置简单，仅用一个激光光源实现了亚自然线宽光谱；四、易于实现，仅需调整泵浦光与探测光的偏振方向的相对夹角获得亚自然线宽光谱。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的详细流程示意图；
图3为本发明激光控制电路的流程示意图；
图4为本发明获得的亚自然线宽光谱实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的分析。
来自同一激光光源的两束线偏振激光(即泵浦光与探测光)同时作用于原子气室中的同一批碱金属原子，当泵浦光与探测光的偏振方向存在一定非零夹角且泵浦光传播方向与探测光传播方向在原子气室内相反时，泵浦光与探测光同时耦合碱金属原子基态多个能级，形成低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱。根据这种亚自然线宽光谱对激光光源的控制电路进行反馈控制，实现一种只利用一个激光光源就能够达到亚自然线宽的激光频率稳定技术，在不增加稳频装置复杂性的基础上提高了稳频效果。
如图1所示，激光稳频装置包括激光光源1、亚自然线宽光谱产生光路2、信号处理电路3；激光光源1、亚自然线宽光谱产生光路2、信号处理电路3通过激光光路连接；
如图2所示，所述的激光光源1由半导体激光器4、激光器控制电路5、偏振片6 构成；
激光器控制电路5控制半导体激光器4发射出激光，激光依次透过偏振片6、亚自然线宽光谱产生光路2；
所述的亚自然线宽光谱产生光路2由偏振分束棱镜9、二分之一波片10、反射镜组11、原子气室12构成；
激光光源1发射出的激光透过偏振分束棱镜9后分为探测光13与泵浦光14；
探测光13透过原子气室12后被信号处理电路3接收；
泵浦光14依次经过二分之一波片10、反射镜组11、原子气室12，在原子气室12 中的传播路径与探测光13在原子气室12中的传播路径部分重叠且传播方向相反；
原子气室12由包含碱金属饱和蒸汽且不包含其他缓冲气体的玻璃泡构成；
所述的信号处理电路3由光电探测器16、反馈控制器17构成；
光电探测器16采集透过亚自然线宽光谱产生光路2的探测光13产生的电信号，然后传递给反馈控制器17处理，由反馈控制器17对激光器控制电路5进行反馈控制；
如图3所示，激光控制电路5由电流源7、温度控制器8构成，其中电流源7与温度控制器8直接控制半导体激光器4。
具体调节激光稳频装置获得亚自然激光线宽的方法是：
实施例中亚自然线宽光谱产生光路2中碱金属原子采用铷-87原子，铷原子饱和蒸汽的玻璃泡尺寸为Φ20×25mm。在使用过程中，先开启激光器控制电路5，其中电流源 7使用美国Agilent公司生产的型号为B2912A的电流源，温度控制器8使用美国Thorlab 公司生产的型号为TED200C的温度控制器，调节激光二极管的电流为1.5mA，温度为 50℃，使半导体激光器4的波长稳定至794.984nm；将适用波长为794.984nm的偏振片 6垂直置于激光光束方向，调节偏振片6的相对角度至60°，使得半导体激光器4发射出的激光透过偏振分束棱镜9后，激光分为探测光13和泵浦光14；探测光13透过铷原子饱和蒸汽的玻璃泡，由高灵敏度硅光电二极管16接收并转变为电压信号。将适用波长为794.984nm的二分之一波片10垂直置于泵浦光14光束方向，调节二分之一波片10，使经过二分之一波片10后的泵浦光14偏振与探测光13偏振的相对夹角为20°，将适用波长为794.984nm的反射镜组11垂直置于透过二分之一波片10的泵浦光14光束方向，调节反射镜组11，使泵浦光14透过铷原子饱和蒸汽的玻璃泡且在铷原子饱和蒸汽的玻璃泡中的传播路径与探测光13在铷原子饱和蒸汽的玻璃泡中的传播路径部分重叠且传播方向相反。高灵敏度硅光电二极管16将接收到的电压信号传输给反馈控制器17，调节反馈控制器17中的比例、积分、微分电路参数，对电流源7进行反馈控制，控制电流源7输出到半导体激光器4的电流大小，从而将半导体激光器4输出的激光频率稳定在铷-87原子D1线基态能级跃迁频率上，同时激光线宽小于铷-87原子D1线基态能级的自然线宽。
上述提到的铷原子饱和蒸汽的玻璃泡为原子气室12。
上述提到的高灵敏度硅光电二极管16为光电探测器16。
如图4所示，经过本发明方法获得的光谱由激光频率与碱金属基态能级共振频率的失谐量(横坐标)和光电探测器探接收到的电压值(纵坐标)表示。
上述结果为经过二分之一波片10后的泵浦光14偏振与探测光13偏振的相对夹角为20°时获得的光谱结果，其光谱线宽约为4MHz。
上述结果表明经过本发明获得的光谱线宽小于铷-87原子的自然线宽(约6MHz)，因此，经过本发明获得的光谱为亚自然线宽光谱。

Claims (7)

1.一种基于亚自然线宽光谱的激光稳频装置，其特征在于由激光光源（1）、亚自然线宽光谱产生光路（2）、信号处理电路（3）构成，并依次通过激光光路连接；
所述激光光源（1）由半导体激光器（4）、激光器控制电路（5）、偏振片（6）构成；激光器控制电路（5）控制半导体激光器（4）发射出激光，激光依次透过偏振片（6）、亚自然线宽光谱产生光路（2）；
所述亚自然线宽光谱产生光路（2）由偏振分束棱镜（9）、二分之一波片（10）、反射镜组（11）、原子气室（12）构成；
激光光源（1）发射出的激光透过偏振分束棱镜（9）后分为探测光（13）与泵浦光（14）；探测光（13）透过原子气室（12）后被信号处理电路（3）接收；泵浦光（14）依次经过二分之一波片（10）、反射镜组（11）、原子气室（12）；泵浦光（14）经过二分之一波片（10）后的偏振方向与探测光（13）的偏振方向存在一定非零夹角，泵浦光（14）在原子气室（12）中的传播路径与探测光（13）在原子气室（12）中的传播路径部分重叠且传播方向相反，泵浦光（14）与探测光（13）同时耦合碱金属原子基态多个能级，形成低于碱金属原子自然线宽的亚自然线宽光谱；
所述的信号处理电路（3）由光电探测器（16）、反馈控制器（17）构成；光电探测器（16）采集透过亚自然线宽光谱产生光路（2）的探测光（13）产生的电信号，然后传递给反馈控制器（17）处理，由反馈控制器（17）对激光器控制电路（5）进行反馈控制。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述激光器控制电路（5）由电流源（7）、温度控制器（8）构成，其中电流源（7）给半导体激光器（4）提供电流，温度控制器（8）控制半导体激光器（4）达到所需温度，温度控制器（8）接收半导体激光器（4）反馈的实时温度值。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于原子气室（12）由包含碱金属饱和蒸汽且不包含其他缓冲气体的玻璃泡构成。
4.基于权利要求1-3任一所述装置的调节方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤（1）、调节激光稳频装置中的激光光源（1）：
首先调节激光器控制电路（5）中电流源（7）、温度控制器（8），保持半导体激光器（4）发射出的激光波长稳定，且保持半导体激光器（4）发射出的激光波长与亚自然线宽光谱产生光路（2）中碱金属原子基态能级共振；将偏振片（6）垂直置于激光光束方向，使得半导体激光器（4）发出的激光转变为线偏振激光；
步骤（2）、调节激光稳频装置中的亚自然线宽光谱产生光路（2）：
将偏振分束棱镜（9）垂直置于激光光束传播方向，调节偏振片（6），使得由激光光源（1）发出的线偏振激光分为偏振方向垂直的泵浦光（14）和探测光（13）；探测光（13）经过原子气室（12），与原子气室（12）中装载的碱金属原子相互作用；将二分之一波片（10）垂直置于泵浦光（14）传播方向，调节二分之一波片（10），使得泵浦光（14）偏振方向与探测光（13）偏振方向呈非零夹角；调节反射镜组（11），使得经过二分之一波片（10）的泵浦光（14）经过原子气室（12），并与探测光（13）在原子气室（12）中的传播路径部分重叠且传播方向相反；
步骤（3）、调节激光稳频装置中的信号处理电路（3）：
光电探测器（16）将经过原子气室（12）的探测光（13）的光强值转变成电压值，电压值与激光光源（1）发出的激光频率的关系如公式(1)：
Figure 792477DEST_PATH_IMAGE002
(1)；
其中，Y为电压值，X为激光频率，
Figure 381721DEST_PATH_IMAGE004
是圆周率，
Figure 348409DEST_PATH_IMAGE006
为比例系数，是定值，
Figure 540356DEST_PATH_IMAGE008
为光谱线宽，
Figure 26832DEST_PATH_IMAGE010
为碱金属原子基态能级共振频率；
调节亚自然线宽光谱产生光路（2）中的二分之一波片（10），使得公式(1)中的
Figure 272131DEST_PATH_IMAGE008
小于碱金属原子基态能级的自然线宽
Figure 211268DEST_PATH_IMAGE012
，从而获得亚自然线宽光谱；
调节反馈控制器（17），使得反馈控制器（17）根据公式(1)对激光光源（1）中的激光器控制电路（5）进行反馈控制，保证激光光源（1）输出的激光频率X等于碱金属原子基态能级共振频率
Figure 128277DEST_PATH_IMAGE010
，此时稳频后的激光线宽小于碱金属原子基态能级的自然线宽
Figure 418DEST_PATH_IMAGE012
。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于原子气室中仅包含碱金属原子，不包含任何缓冲气体。
6.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于激光波长在偏振片、二分之一波片、偏振分束棱镜、反射镜组的波长范围内。
7.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于泵浦光与探测光由同一个激光光源产生且均为线偏振光。
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