CN111799650A - 带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器稳频技术领域，提出了一种带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，旨在解决现有的饱和吸收光谱稳频光学系统光路稳定性差的技术问题。本发明包括沿同一光轴依次设置的偏振分束器、四分之一波片、原子源玻璃泡，以及设置在偏振分束器反射光路上的光电探测器；改进之处为在原子源玻璃泡输出光路上设置有猫眼反射器，使入射光与反射光在光路上完全共线，光束准直性好，对光路中光学器件的角度失配不敏感，光路调节难度低，固定后不易受外界震动、温度等环境影响，提高了光学系统的稳定度。

Description

带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统

技术领域

本发明涉及激光器稳频技术领域，特别涉及一种主要用于激光器稳频的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统。

背景技术

半导体激光器广泛应用于精密光谱、量子光学、原子冷却、原子干涉等领域。在原子冷却与原子干涉等领域中首先要对半导体激光器进行稳频，目前应用较为广泛的稳频光学系统为饱和吸收光谱稳频系统，饱和吸收光谱稳频系统可以清晰的分辨⁸⁷Rb原子的主要吸收峰，将激光器的频率锁定在其中信号最强的几个吸收峰上。图1所示为目前常用的饱和吸收光谱稳频光学系统，其主要包括偏振分束器101、设置在旋转安装座103上的四分之一波片102、原子源玻璃泡104、0度全反射镜105和光电探测器106；输入的线偏振激光光束100依次经过偏振分束器101与四分之一波片102后，进入原子源玻璃泡104，然后由0度全反射镜105反射，光束沿原路返回，再次经过四分之一波片102后，偏振方向旋转90°，经过偏振分束器101反射后，到达光电探测器107，饱和吸收光谱信号由光电探测器107转换为电信号。该电信号经过后续电路处理后得到鉴频信号，将该鉴频信号提供给激光器伺服系统，通过激光器伺服系统对激光进行稳频，具体实施方法参阅文献‘Appl.Phys.B84,683-690(2006)’中figure 3的相应部分和‘Matter wave interferometry in microgravity,pp175(2014)’中figure 6.6的相应部分。

图1所示的现有的饱和吸收光谱稳频光学系统具有结构简单，易调节的优点，但在实际应用中也存在诸多问题：

1)性能受限；

要获得信号较强的吸收峰用于频率锁定，必须使用长度较长的原子源玻璃泡，这必然增加了整个光学系统光路的长度，导致其在小型化和集成化要求高的应用场合不能满足使用要求，限制了其使用范围。

2)稳定性差；

信号光反射镜均采用0度全反射镜，光路的稳定性主要由系统中的0度全反射镜决定。由于环境的振动、温度的变化都会使得激光束在0度全反射镜上产生角度偏摆和线位移，导致原子源玻璃泡中的反射光和入射光的空间重合程度随之变化，同时反射到光电探测器上的信号光束也随之产生角度偏摆和线位移，这两个因素都导致使饱和吸收信号强度产生较大的抖动，从而引起鉴频信号大幅度变化，使得激光器稳频性能变差。

3)与温控装置配合性差；

原子源玻璃泡的两个通光面不可能是绝对平行的，总有一定夹角，此时原子源玻璃泡可以看作楔角很小的一个光楔(在一些实施例中，原子源玻璃泡的两个通光表面具有4-8°的对称倾斜，由于对称角度不可能完全相同，因此也可以看做楔角很小的一个光楔)。同时，许多情况下原子源玻璃泡上需要安装有加热装置，通过温度控制使原子源工作在最佳温度，然而环境温度的起伏使此时光路内的原子源玻璃泡相当于一个楔角随温度变化而不断改变的光楔，这同样会引起原子源玻璃泡中的反射光和入射光的空间重合程度变化，使反射到光电探测器上的信号光束也随之产生角度偏摆和线位移，从而引起鉴频信号大幅度变化，使得激光器稳频性能变差，甚至脱锁。

发明内容

为了解决现有的饱和吸收光谱稳频光学系统光路稳定性差的技术问题，本发明提出一种带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统。

本发明的技术解决方案如下：

带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，包括沿同一光轴依次设置的偏振分束器、四分之一波片、原子源玻璃泡，以及设置在偏振分束器反射光路上的光电探测器；

其特征在于：

还包括设置在所述原子源玻璃泡输出光路上的猫眼反射器。

进一步地，所述猫眼反射器由凸透镜与平凹镜组成；平凹镜的凹面与凸透镜相对；凸透镜的焦距、平凹镜的凹面曲率半径以及凸透镜与平凹镜的间距三者相等。

进一步地，所述凸透镜和平凹镜设置在同一个底座上，两者的间距可调并可以利用锁紧孔进行锁紧。

进一步地，所述猫眼反射器由凸透镜和平面全反射镜组成；平面全反射镜的反射面与凸透镜相对；平面全反射镜的反射面至凸透镜的距离与凸透镜的焦距相等。

进一步地，所述凸透镜和平面全反射镜设置在同一个底座上，两者的间距可调并可以利用锁紧孔进行锁紧。

进一步地，还包括梯形棱镜；所述梯形棱镜的两个等腰侧面与下底面均成45°角；

所述梯形棱镜设置在猫眼反射器前端光路上；从所述四分之一波片透射的光束经原子源玻璃泡后入射至所述梯形棱镜，梯形棱镜的反射光束进入原子源玻璃泡后入射至所述猫眼反射器。

进一步地，梯形棱镜的下底面、四分之一波片的前后通光面、凸透镜两个通光面均镀与所通过激光波长对应的增透膜；梯形棱镜的两个等腰侧面的表面、平凹镜的凹面均镀与所反射激光波长对应的反射膜。

本发明的有益效果：

1)本发明使用猫眼反射器，使入射光与反射光在光路上完全共线，光束准直性好，对光路中光学器件的角度失配不敏感，光路调节难度低，固定后不易受外界震动、温度等环境影响，提高了光学系统的稳定度。

2)本发明采用折转光路设计，激光束两次通过原子源玻璃泡，增加了原子源玻璃泡的有效工作长度，因此在原子源玻璃泡长度较短的情况下也可以获得强的光谱信号，有利于缩短整个光学系统的长度尺寸，满足小型化要求。

3)本发明利用了梯形棱镜对光路失调不敏感的特性，同时梯形棱镜的各个面之间的角度加工精度可以达到角秒级，在提高整个光路的对准精度的同时可以大幅度提高整个稳频装置产生的鉴频信号的稳定性。

4)猫眼反射器对饱和吸收光路中的楔形光学元件(或元件产生的楔形畸变)不敏感，在光楔楔角不大的情况下不需要重新调整猫眼反射器中的平凹镜仍能使饱和吸收光谱稳频光学系统正常工作；光路中插入的光楔导致输出光束的角度偏摆和在所述平凹镜上的线位移都与光楔与猫眼反射器的距离成正比，只要原子源玻璃泡位置尽量靠近猫眼反射器，则输出光束的角度偏摆和在所述平凹镜上的线位移不会明显影响饱和吸收谱信号，因此，本发明大幅度降低了由于原子源玻璃泡热扰动所导致的饱和吸收谱信号的起伏，降低了对原子源玻璃泡制作的工艺要求，能够提高整个稳频装置产生的鉴频信号的稳定性。

5)本发明中的猫眼反射器采用凸透镜和平凹镜构成，猫眼反射器的“猫眼效应”使之具有良好的逆向平行反射性：一束光线沿猫眼反射器光轴线正入射时会沿原路返回；当光束以一定角度斜入射到猫眼反射器时，如果入射光束的主光线经过凸透镜中心，反射光束仍会沿原路返回。当平行光束以相同角度斜入射到猫眼反射器和平面全反射镜时，只有猫眼反射器可以使光线沿原路返回。因此当饱和吸收光谱稳频光学系统受到机械、热等扰动时，平面全反镜必然会受到干扰而偏离调准状态反射光束和入射光束不再严格共线，使饱和吸收光谱信号明显减弱，而光路中采用猫眼反射器时则可以消除或减弱这种影响。猫眼反射器采用凸透镜和平面全反镜构成时，其逆向平行反射性明显弱于采用凸透镜和平凹镜的猫眼反射器。这是由于平面镜的镜面反射效应使得当激光束斜入射时，若入射角度偏差过大则猫眼反射器不能完全补偿角度偏差，导致反射光束不能完全按照原光路返回，而使用凸透镜和平凹镜结构的猫眼反射器(其中凸透镜焦距、凹面镜曲率半径及两镜片的间距均相等)就不存在这个问题，即使光束有较大的入射倾角，猫眼反射器仍然可以对其进行补偿。因此饱和吸收光谱稳频光学系统采用由凸透镜和平凹镜构成的猫眼反射器性能更好。

附图说明

图1为现有的饱和吸收光谱稳频光学系统的原理示意图。

图2是本发明饱和吸收光谱稳频光学系统实施例的光路结构示意图。

图3是本发明中猫眼反射器另一种方案的光路结构示意图。

图1中附图标记：

100-入射的线偏振激光束，101-偏振分束器(PBS)，102-四分之一波片，103-旋转安装座，104-原子源玻璃泡，105-0度全反射镜，106-光电探测器。

图2中附图标记：

200-线偏振激光束，201-偏振分束器，202-旋转安装座，203-四分之一波片，204-原子源玻璃泡，205-梯形棱镜，206-凸透镜，207-平凹镜，208-光电探测器，210-猫眼反射器，207B-平面全反射镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明实施例所提供的带有猫眼反射器的单光束饱和吸收光谱稳频光学系统，包括依次设置的同光轴的偏振分束器201、四分之一波片203、原子源玻璃泡204和梯形棱镜205；在梯形棱镜205的反射光路上设置有猫眼反射器210；在偏振分束器201的反射光路上设置有光电探测器208；原子源玻璃泡204同时也位于梯形棱镜205的反射光路上，且位于梯形棱镜205与猫眼反射器210之间。

猫眼反射器210由凸透镜206与平凹镜207组成，平凹镜207的凹面与凸透镜206相对；凸透镜206的焦距、平凹镜207的凹面曲率半径以及凸透镜206与平凹镜207的间距三者相等。凸透镜206和平凹镜207设置在同一个底座上，两者的间距可调以便于装配，装调好后可以利用锁紧孔进行锁紧。猫眼反射器210的“猫眼效应”使之对光束具有良好的逆向平行反射性：光线沿猫眼反射器210轴线正入射时会沿原路返回；当光束以一定角度斜入射到猫眼反射器210时，如果入射光束的主光线经过凸透镜206中心，反射光束仍会沿原路返回。这是传统的平面镜所不具备的。本发明利用猫眼反射器210作为反射器，它的逆向平行反射性对提高稳频光学系统的稳定性会有很大帮助。当饱和吸收光谱稳频光学系统受到机械、热等扰动时，反射镜必然会受到干扰而偏离调准状态，但猫眼反射器做反射器时则可以消除或减弱这种影响，使饱和吸收光谱稳频光学系统仍正常工作。在其他实施例中，猫眼反射器210也可以由凸透镜206与平面全反射镜207B构成，平面全反射镜207B的反射面与凸透镜206相对；平面全反射镜207B的反射面至凸透镜206的距离与凸透镜206的焦距相等，如图3所示。

四分之一波片203设置在带有锁紧机构的旋转安装座202上。

梯形棱镜205的两个等腰侧面与下底面均成45°角。

梯形棱镜205的下底面、四分之一波片203的前后通光面、凸透镜206两个通光面均镀与所通过激光波长对应的增透膜。

梯形棱镜205的两个等腰侧面的表面、平凹镜207的凹面均镀与所反射激光波长对应的反射膜。

本发明中所有光学元件连同其安装座安装于一个光学基座上，光学元件安装座根据整个光路的光心高度设计加工，并满足光学设计要求。所有光学元件的光学平面互相平行且光心高度一致。

本发明的原理是：

入射的线偏振激光束200的偏振方向与偏振分束器201的透射偏振轴相同，线偏振激光束200通过偏振分束器201透射后，经四分之一波片202变为圆偏振光束，然后经过原子源玻璃泡204，经由梯形棱镜205的两个斜面反射后，再次经过原子源玻璃泡204，到达猫眼反射器210后被猫眼反射器210反射并原路返回，再次通过四分之一波片202后变为线偏振光，且偏振方向旋转90°，最后经过偏振分束器201反射至光电探测器208。光电探测器208将接收到的光信号转换为电信号，该电信号后续经过已有技术公开的电子电路处理后便能够得到用于激光器稳频的鉴频信号。

从上述原理可知，本发明中光束两次经过原子源玻璃泡204，因此本发明中的原子源玻璃泡204的长度可以缩减为现有光学系统中原子源玻璃泡长度的一半。

在另一些实施例中，若不需要缩短整个光学系统的长度尺寸，则可以省去梯形棱镜205，此时，将猫眼反射器210放置在原子源玻璃泡204的出射光路上，即直接用猫眼反射器210接收并反射原子源玻璃泡204的出射光束。

Claims (7)

1.带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，包括沿同一光轴依次设置的偏振分束器(201)、四分之一波片(203)、原子源玻璃泡(204)，以及设置在偏振分束器(201)反射光路上的光电探测器(208)；

其特征在于：

还包括设置在所述原子源玻璃泡(204)输出光路上的猫眼反射器(210)。

2.根据权利要求1所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：所述猫眼反射器(210)由凸透镜(206)与平凹镜(207)组成；平凹镜(207)的凹面与凸透镜(206)相对；凸透镜(206)的焦距、平凹镜(207)的凹面曲率半径以及凸透镜(206)与平凹镜(207)的间距三者相等。

3.根据权利要求2所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：所述凸透镜(206)和平凹镜(207)设置在同一个底座上，两者的间距可调并可以利用锁紧孔进行锁紧。

4.根据权利要求1所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：所述猫眼反射器(210)由凸透镜(206)和平面全反射镜(207B)组成；平面全反射镜(207B)的反射面与凸透镜(206)相对；平面全反射镜(207B)的反射面至凸透镜(206)的距离与凸透镜(206)的焦距相等。

5.根据权利要求4所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：所述凸透镜(206)和平面全反射镜(207B)设置在同一个底座上，两者的间距可调并可以利用锁紧孔进行锁紧。

6.根据权利要求1-5任一所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：还包括梯形棱镜(205)；所述梯形棱镜(205)的两个等腰侧面与下底面均成45°角；

所述梯形棱镜(205)设置在猫眼反射器(210)前端光路上；从所述四分之一波片(203)透射的光束经原子源玻璃泡(204)后入射至所述梯形棱镜(205)，梯形棱镜(205)的反射光束进入原子源玻璃泡(204)后入射至所述猫眼反射器(210)。

7.根据权利要求6所述的带有猫眼反射器的饱和吸收光谱稳频光学系统，其特征在于：梯形棱镜(205)的下底面、四分之一波片(203)的前后通光面、凸透镜(206)两个通光面均镀与所通过激光波长对应的增透膜；梯形棱镜(205)的两个等腰侧面的表面、平凹镜(207)的凹面均镀与所反射激光波长对应的反射膜。

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