CN113206435B - 一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置 - Google Patents

一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置，涉及激光、光频原子钟领域，其包括一驱动电路、两激光器、两稳频系统、一谐振腔装置和一干涉滤光片。本发明将铯原子四能级主动光钟与铷原子四能级主动光钟相结合，利用铯、铷原子混合气体作为增益介质，可基于四能级主动光钟受激辐射输出四种不同波长的激光信号，通过该方法可以实现四种不同波长的激光输出，受激辐射信号可直接作为量子频率标准，具有腔牵引抑制和窄线宽的优势，可应用于精密测量和光通信领域。

Description

一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置
技术领域
本发明涉及激光、光频原子钟领域，尤其涉及一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置。
背景技术
原子钟是目前已知的精度最高的测量工具，在卫星导航定位、时间同步、宇宙探测等方面有着重要的地位。工作在光学频率的原子钟称为光频原子钟(光钟)，光钟又分为被动光钟和主动光钟。主动光钟将原子跃迁谱线本身的受激辐射输出信号直接作为光学频率标准，腔模线宽远大于增益线宽，具有较小的腔牵引效应和较窄的量子极限线宽。主动光钟方案若采用二能级量子系统，则会受到二阶多普勒频移的限制，而采用三能级量子系统，则会受到高强度泵浦激光带来的光频移的影响。若采用四能级量子系统，则可以克服以上缺陷，实现具有更高稳定度和准确度的频率标准。目前，已有铷原子四能级主动光钟和铯原子四能级主动光钟的相关研究报道，采用四能级量子系统可以克服光频移的影响，提高原子钟的性能。
在四能级方案中，泵浦与受激辐射的相关能级分离，降低了泵浦光对主动光钟受激辐射相关原子能级和输出光频率的影响。在铯原子四能级主动光钟系统中，可采用459nm或455nm的泵浦光将铯原子由基态6S1/2激发到7 2P1/2和7 2P3/2能级，部分原子经自发辐射转移到7 2S1/2能级，当泵浦光强度达到一定值，可以在7 2S1/2和6 2P3/2能级之间形成布居数反转，当达到阈值条件时，可实现1470nm波长的受激辐射输出。同样地，也可在7 2S1/2和6 2P1/2能级之间形成布居数反转，并实现1359nm波长的受激辐射输出。在铷原子四能级主动光钟系统中，可采用421nm或420nm的泵浦光将铷原子由基态5S1/2激发到6 2P1/2和6 2P3/2能级能级，部分原子经自发辐射转移到6 2S1/2能级，当泵浦光强度达到一定值，可以在6 2S1/2和52P3/2能级之间形成布居数反转，当达到阈值条件时，可实现1367nm波长的受激辐射输出。同样地，也可在6 2S1/2和5 2P1/2能级之间形成布居数反转，并实现1324nm波长的受激辐射输出。
上述受激辐射输出激光的波长位于光通信波段的低损耗波长区，可以用来作为光通信的载波。利用光通信可以进行长距离传输，经济节能，而且传输信息量大，通信速度快。随着科技的进步与发展，激光在光通信领域的应用已经非常普遍，在保密通信、全光网络、交通监控等领域有着重要地位。然而目前的激光产生装置大多同时仅能产生一种波长的激光，无法满足同时对多波长激光的要求。而目前能够产生多波长输出的装置，难以实现超窄线宽激光，且无法直接作为量子频率标准。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置，将铯原子四能级主动光钟与铷原子四能级主动光钟相结合，利用铯、铷原子混合气体作为增益介质，可基于四能级主动光钟受激辐射输出四种不同波长的激光信号，通过该方法可以实现四种不同波长的激光输出，受激辐射信号可直接作为量子频率标准，具有腔牵引抑制和窄线宽的优势。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置，包括一驱动电路、两激光器、两稳频系统、一谐振腔装置和一干涉滤光片；其中，驱动电路用于为两激光器施加电源信号；两激光器用于产生两束中心频率对应于铷原子和铯原子能级跃迁的泵浦激光，并将两束激光分别输入至两稳频系统中；两稳频系统用于使所述两束激光的频率稳定，分别锁定至铷原子和铯原子的能级跃迁谱线上，再传输给谐振腔装置；谐振腔装置包括位于腔体内的沿光路照射方向依次设置的前腔镜、铷铯混合原子气室、出光镜和压电陶瓷，前腔镜和出光镜对所述两束激光施加弱反馈作用，所述两束激光分别在铷铯混合原子气室的铷原子和铯原子跃迁能级之间形成受激辐射，输出四种不同波长的激光；干涉滤光片用于对四种不同波长的激光进行筛选。
进一步地，稳频系统包括沿光路照射方向依次设置的光隔离器、半波片和偏振分光棱镜；光隔离器用于接收激光并防止光反馈，输出隔离后的激光；半波片和偏振分光棱镜用于对隔离后的激光的透射光和反射光的强度进行调节，并将调节后的透射光传输给谐振腔装置。
进一步地，两激光器选用外腔半导体激光器。
进一步地，稳频系统还包括反射镜、稳频装置和伺服反馈电路；反射镜用于将半波片和偏振分光棱镜调节后的反射光反射至稳频装置；稳频装置用于获取调节后的反射光的误差信号，并将误差信号输出至伺服反馈电路；伺服反馈电路用于根据接收的误差信号，控制外腔半导体激光器以使输出激光的频率锁定在铷原子和铯原子相应的能级跃迁谱线上。
进一步地，当激光器输出的激光的中心波长为420nm或421nm时，则稳频系统将激光锁定在铷原子相应能级的跃迁谱线上；当激光器输出的激光的中心波长为455nm或459nm时，则稳频系统将激光锁定在铯原子相应能级的跃迁谱线上。
进一步地，铷原子和铯原子的能级跃迁分别为：铷原子从基态5S1/2激发到6 2P1/2和6 2P3/2能级，铯原子从基态6S1/2激发到7 2P1/2和7 2P3/2能级。
进一步地，还包括第一反射镜和第二反射镜，均介于稳频系统与谐振腔装置之间；其中，第一反射镜用于将从一稳频系统出射的激光反射至第二反射镜上；第二反射镜用于将来自于第一反射镜的激光进行反射并对从稳频系统出射的另一束激光进行透射，并将透射的激光和反射的激光沿同一光路传输至谐振腔装置中。
进一步地，谐振腔装置还包括设置于腔体外部的用于对谐振腔进行加热并控温的加热保温装置。
进一步地，谐振腔装置还包括设置于腔体外部的用于减小外界磁场波动对铷铯混合原子气室影响的磁屏蔽装置。
进一步地，谐振腔装置还包括设置于腔体外部的用于减小外界温度对铷铯混合原子气室温度影响的真空装置。
进一步地，驱动电路为压电陶瓷提供驱动电压，通过改变压电陶瓷的驱动电压来改变谐振腔装置的腔长，实现对谐振腔腔模频率的改变。
进一步地，稳频装置采用的稳频方式包括但不局限于饱和吸收谱稳频，调制转移谱稳频，波长计稳频，频率调制光谱稳频，极化谱稳频中的一种或几种。
进一步地，前腔镜为平面镜，出光镜为平凹镜。
本发明将铯原子四能级主动光钟与铷原子四能级主动光钟相结合，利用铯、铷原子混合气体作为增益介质，可实现多波长四能级主动光钟，同时发生受激辐射输出四种不同波长的激光。通过四点镀膜技术，控制谐振腔腔镜对四种波长激光的反射率，使每种波长的激光的增益线宽都小于腔模线宽，每种波长的激光都工作在坏腔区域，可利用干涉滤光片筛选出四种不同波长的激光之一作为载波应用于光通信等领域。这种方法原理简单，系统装置简单，采用外腔半导体激光器产生泵浦光。利用此原理，可以实现多波长输出，由于工作在主动光钟坏腔模式，激光对腔长热噪声免疫，可大大减小外界环境对输出激光波长的影响，其稳定度较高，激光频率取决于铷原子、铯原子的跃迁频率，受激辐射输出信号可直接作为量子频率标准。
本发明通过对前腔镜和出光镜采用四点镀膜技术，控制谐振腔内的前腔镜和出光镜对四种波长激光的反射率，使每种波长的激光的增益线宽都小于腔模线宽，每种波长的激光都工作在坏腔区域，从而在一定程度上压制腔牵引效应，实现窄线宽激光输出。本发明可实现多波长激光输出，输出激光的频率取决于原子跃迁频率，可直接作为量子频率标准。通过简单的干涉滤光片即可筛选出其中一种波长的激光应用于光通信领域或其它领域。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的示例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例的一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置的结构示意图。
图2为本发明中所用到铷原子以及铯原子的能级结构示意图，其中n为主量子数。
具体实施方式
为使本发明的技术方案能更明显易懂，特举实施例并结合附图详细说明如下。
如图1所示，本实施例公开一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置，包括：驱动电路201、外腔半导体激光器2021与2031、稳频系统202与203、第一反射镜2038与第二反射镜2039、谐振腔装置204以及干涉滤光片205。其中，稳频系统202包括隔离器2022、半波片2023、偏振分光棱镜2024、反射镜2025、稳频装置2026、伺服反馈电路2027。稳频系统203包括隔离器2032、半波片2033、偏振分光棱镜2034、反射镜2035、稳频装置2036、伺服反馈电路2037。谐振腔装置204包括：前腔镜2041、铷铯混合原子气室2042、出光镜2043、压电陶瓷2044、加热保温装置2045、磁屏蔽装置2046以及真空装置2047。
驱动电路201为两个外腔半导体激光器2021与2031施加电源信号，驱动其输出相应的泵浦光。在本例中，以外腔半导体激光器2021输出421nm的激光，2031输出459nm的激光为例。
光隔离器2022用于接收所述421nm激光，并将隔离后的激光输出。半波片2023和偏振分光棱镜2024用于对隔离后的421nm激光的透射光和反射光的强度进行调节，并将调节后的透射光作为泵浦光输出至谐振腔装置204，以及将调节后的反射光通过反射镜2025输出至稳频装置2026。本例中，反射镜2025镀421nm高反膜。稳频装置2026用于获得所述调节后的反射光的误差信号，并将所述误差信号输出至伺服反馈电路2027。具体地，稳频装置2026可以采用饱和吸收谱稳频、调制转移谱稳频、波长调制稳频、波长计稳频、频率调制光谱稳频、极化谱稳频等。伺服反馈电路2027用于接收所述误差信号，控制所述外腔半导体激光器2021，使其产生的泵浦光波长锁定在421nm附近。进一步地说，当外腔半导体激光器2021锁定在铷原子421nm的跃迁谱线上时，外腔半导体激光器2021产生的激光频率通过伺服反馈电路2027锁定在铷原子基态5S1/2激发到第二激发态6P1/2的跃迁谱线上。
光隔离器2032用于接收所述459nm激光，并将隔离后的激光输出。半波片2033和偏振分光棱镜2034用于对隔离后的459nm激光的透射光和反射光的强度进行调节，并将调节后的透射光作为泵浦光输出至谐振腔装置204，以及将调节后的反射光通过反射镜2035输出至稳频装置2036。具体地，调节后的透射光通过第一反射镜2038及第二反射镜2039反射至谐振腔装置204中。本例中，第二反射镜2039镀459nm高反膜及421nm高透膜，反射镜2035与第一反射镜2038镀459nm高反膜。稳频装置2036，用于获得所述调节后的反射光的误差信号，并将所述误差信号输出至伺服反馈电路2037。具体地，稳频装置2036可以采用饱和吸收谱稳频、调制转移谱稳频、波长计稳频、频率调制光谱稳频、极化谱稳频等。伺服反馈电路2037，用于接收所述误差信号，控制所述外腔半导体激光器2031，使其产生的泵浦光波长稳定在459nm附近。进一步地说，当外腔半导体激光器2031锁定在铯原子459nm的跃迁谱线上时，外腔半导体激光器2031产生的激光频率通过伺服反馈电路2037锁定在铯原子基态6S1/2激发到第二激发态7P1/2的跃迁谱线上。
所述421nm激光通过前腔镜2041与出光镜2043的弱反馈作用在铷铯混合原子气室2042中的铷原子跃迁能级之间形成受激辐射，可以辐射出1367nm与1324nm两种波长的激光。所述459nm激光通过前腔镜2041与出光镜2043的弱反馈作用在铷铯混合原子气室2042中的铯原子跃迁能级之间形成受激辐射，可以辐射出1359nm与1470nm两种波长的激光。四种波长的激光同时输出，并在干涉滤光片205作用下筛选出四种波长激光之一。本例中，前腔镜2041可以设置为平面镜，出光镜2043可以设置为平凹镜，可经过特殊的四点镀膜技术使得四种波长的激光的腔模线宽均大于增益线宽，从而工作在坏腔区域，对腔牵引效应有抑制作用，使得输出激光的线宽较窄。本例中，压电陶瓷2044用于改变谐振腔的腔长，驱动电路201还用于改变所述压电陶瓷2044的驱动电压以实现谐振腔腔模频率的改变。
本例中，谐振腔装置204还设置有对所述谐振腔进行加热并控温的加热保温装置2045，使铷原子与铯原子的温度稳定在一定范围内以减小原子与原子碰撞以及原子与气室碰撞导致的频移与增宽。加热保温装置2045外部设置有用于减小外界磁场波动对铷铯混合原子气室影响的磁屏蔽装置2046，可减小外部磁场波动引起的塞曼频移与展宽。磁屏蔽装置2046外部设置有减小外界温度对所述铷铯混合原子气室温度影响的真空装置2047。
本例的工作原理：在铷原子四能级主动光钟系统中，可采用421nm或420nm的泵浦光实现1367nm和1324nm波长的受激辐射输出。在铯原子四能级主动光钟系统中，可采用459nm或455nm的泵浦光实现1359nm和1470nm波长的受激辐射输出。铷原子在421nm或420nm泵浦光的作用下从基态5 2S 1/2激发到6 2P1/2或6 2P3/2能级，通过自发辐射落至62S 1/2能级，由62S 1/2至5 2P1/2辐射出1324nm激光，由62S 1/2至5 2P 3/2辐射出1367nm激光。铯原子在459nm或455nm泵浦光的作用下从基态6 2S 1/2激发到7 2P1/2或7 2P3/2能级，通过自发辐射落至72S 1/2能级，由72S 1/2至6 2P1/2辐射出1359nm激光，由72S 1/2至6 2P 3/2辐射出1470nm激光，能级结构见图2。将铷原子和铯原子同时充入气室制作成混合原子气室，同时用421nm和459nm泵浦光激发铷原子和铯原子，可同时受激辐射形成四种波长的激光输出，通过特殊镀膜的腔镜可使四种波长的激光的腔模线宽都大于增益线宽，都工作于坏腔区从而实现窄线宽激光输出。最后通过简单的干涉滤光片可筛选出四种波长的激光之一。以两个半导体激光器发出的激光分别为420nm和459nm为例，为让这两束激光尽可能多地穿过前腔镜到达原子气室与原子反应，前腔镜需要对420nm和459nm高透(高透过率)。420nm激光与铷原子相互作用激发出1324nm激光和1367nm激光，459nm激光与铯原子相互作用激发出1359nm激光和1470nm激光，需要让1324nm激光、1367nm激光、1359nm激光以及1470nm激光在谐振腔作用下来回反馈且从出光镜出射，因此前腔镜需要对1324nm激光、1367nm激光、1359nm激光以及1470nm激光高反(高反射率)，四点镀膜技术可以使腔镜满足对于不同激光对反射率、透射率的不同要求以及实现四种波长的激光的腔模线宽均大于增益线宽。出光镜需要对泵浦激光420nm激光和459nm激光高反，对想要得到的激光1324nm激光、1367nm激光、1359nm激光以及1470nm激光可以根据不同出光需求设计为不同的反射率或透过率。
本例的实现过程如下：
1)谐振腔内放置有铷铯混合原子气室，外部有用于加热控温的加热保温装置、用于隔绝外界磁场波动的磁屏蔽装置以及真空装置。
2)驱动电路驱动两个外腔半导体激光器分别输出421nm、459nm的激光，两束激光分别经过半波片与偏振分光棱镜，通过旋转半波片与偏振分光棱镜之间的角度可以调节透射光和反射光的强度，两束强透射光作为泵浦光进入铷铯混合原子气室，两束弱反射光分别经过反射镜的反射进入稳频装置，得到的误差信号分别通过各自对应的伺服反馈电路反馈到对应的外腔半导体激光器，从而将外腔半导体激光器的激光频率分别锁定在铷原子、铯原子相应的跃迁谱线上。
3)步骤2)中的两束透射光经稳频后，作为铷铯混合原子气室的泵浦光，通过谐振腔的弱反馈作用分别在铷、铯原子跃迁能级之间形成受激辐射，输出四种不同波长的激光。
4)步骤3)中输出的四种不同波长的激光经过干涉滤光片筛选出特定波长范围的激光。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (8)

1.一种基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，包括一驱动电路、两激光器、两稳频系统、一谐振腔装置和一干涉滤光片；其中，驱动电路用于为两激光器施加电源信号；两激光器用于产生两束中心频率对应于铷原子和铯原子能级跃迁的泵浦激光，并将两束激光分别输入至两稳频系统中；两稳频系统用于使所述两束激光的频率稳定，分别锁定至铷原子和铯原子的能级跃迁谱线上，再传输给谐振腔装置；其中，当激光器输出的激光的中心波长为420nm或421nm时，则稳频系统将激光锁定在铷原子相应能级的跃迁谱线上；当激光器输出的激光的中心波长为455nm或459nm时，则稳频系统将激光锁定在铯原子相应能级的跃迁谱线上；谐振腔装置包括位于腔体内的沿光路照射方向依次设置的前腔镜、铷铯混合原子气室、出光镜和压电陶瓷，前腔镜和出光镜对所述两束激光施加弱反馈作用，所述两束激光分别在铷铯混合原子气室的铷原子和铯原子跃迁能级之间形成受激辐射，输出四种不同波长的激光；干涉滤光片用于对四种不同波长的激光进行筛选；
还包括第一反射镜和第二反射镜，均介于稳频系统与谐振腔装置之间；其中，第一反射镜用于将从稳频系统出射的一束激光反射至第二反射镜上；第二反射镜用于将来自于第一反射镜的激光进行反射并对从稳频系统出射的另一束激光进行透射，并将透射的激光和反射的激光沿同一光路传输至谐振腔装置中。
2.如权利要求1所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，驱动电路为压电陶瓷提供驱动电压，通过改变压电陶瓷的驱动电压来改变谐振腔装置的腔长，实现对谐振腔腔模频率的改变。
3.如权利要求1所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，稳频系统包括沿光路照射方向依次设置的光隔离器、半波片和偏振分光棱镜；光隔离器用于接收激光并防止光反馈，输出隔离后的激光；半波片和偏振分光棱镜用于对隔离后的激光的透射光和反射光的强度进行调节，并将调节后的透射光传输给谐振腔装置。
4.如权利要求3所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，两激光器选用外腔半导体激光器。
5.如权利要求3所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，稳频系统还包括反射镜、稳频装置和伺服反馈电路；反射镜用于将半波片和偏振分光棱镜调节后的反射光反射至稳频装置；稳频装置用于获取调节后的反射光的误差信号，并将误差信号输出至伺服反馈电路；伺服反馈电路用于根据接收的误差信号，控制外腔半导体激光器以使输出激光的频率锁定在铷原子和铯原子相应的能级跃迁谱线上。
6.如权利要求5所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，稳频装置采用的稳频方式包括但不局限于饱和吸收谱稳频，调制转移谱稳频，波长计稳频，频率调制光谱稳频，极化谱稳频中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，谐振腔装置还包括设置于腔体外部的一加热保温装置、一磁屏蔽装置和一真空装置，加热保温装置用于对谐振腔进行加热并控温，磁屏蔽装置用于减小外界磁场波动对铷铯混合原子气室影响，真空装置用于减小外界温度对铷铯混合原子气室温度影响。
8.如权利要求1所述的基于混合原子气室的多波长激光产生装置，其特征在于，前腔镜为平面镜，出光镜为平凹镜。
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