CN114383823B - 一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，包括非相干光源、干涉滤光片、第一透镜、干涉仪、光学频率梳、第二透镜、光电倍增管和数据采集器，干涉滤光片和第一透镜分别对非相干光源输出的光进行滤光和准直后输入到干涉仪，光学频率梳对准直后输入到干涉仪中的光的光绝对频率进行校准，再经过第二透镜聚焦后进入光电倍增管，并通过数据采集器进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。本发明还公开了一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法。本发明利用光学频率参考梳对进入干涉仪的光绝对频率标定，加上高精度干涉仪内的FP腔或回音壁式腔的单独设计，具有很好的反射率和精细度，实现非相干光源的光谱线型精确测量。

Description

一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法和装置
技术领域
本发明涉及非相干光源的光谱测试领域，更具体涉及一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法，同时还涉及一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，适用于精确测出非相干光源的光谱线型。
背景技术
星载铷原子钟是目前各大卫星导航系统使用最多、最广的原子钟。星载铷原子钟的工作原理是：首先用铷光谱灯进行光抽运，把铷原子从低能级抽运到高能级；然后将微波信号送入微波腔，与铷原子发生相互作用，使原子从高能级再返回到低能级，产生原子跃迁信号。最后将原子跃迁信号转换为控制信号，去纠正晶体振荡器的频率，实现频率锁定。铷光谱灯作为星载铷原子钟的抽运光源，是其核心部件。铷原子钟输出频率稳定度和频率漂移率这两项最重要的技术指标都受限于光谱灯。
铷光谱灯的发光光谱主要包括D1和D2两种精细光谱，每条精细光谱又包括a线和b线两条超精细光谱。研究发现，光谱灯超精细光谱轮廓不仅可严重影响铷原子钟的短期频率稳定度，而且可通过光频移影响铷原子钟的长期频率稳定度和漂移率。
光频移是抽运光通过交流斯塔克效应使原子钟跃迁频率移动的效应，光功率变化和光频频率变化都会导致光频移。对激光抽运铷原子钟来说，抽运光是相干光源，理论和实验对光功率和光频率导致的光频移都有比较广泛、深入的研究。比如，F.Levi(Phys.Rev.A.93,023433,2016)等人从理论和实验上对铷气泡原子钟的光频移进行了系统的研究；T.Nagabhushan(Ph.D thesis,University of Neuchatel,2013)也对激光泵浦铷原子钟中光频移效应展开了深入研究。但是当抽运光是铷谱灯产生的非相干光源(如星载铷原子钟)时，抽运光谱线线宽与铷原子光跃迁谱线相当(均在～1GHz范围)。同时，伴随的自吸收效应使得抽运光的线型也非标准的Voigt线型。因此，在光频移计算过程中就要考虑到非标准谱线线型对光频移的影响，这与窄线宽的激光作为抽运光源的情况有很大不同。
实验方面，激光抽运铷原子钟的激光谱线宽度比较窄，且由于是相干光源，因此激光谱线很容易测量和校准。但是对于谱灯抽运铷原子钟来说，光谱灯的光为非相干光源，谱线宽度一般在GHz范围，谱线的线型不容易精确测量。且目前通用的光谱测量仪的分辨率大约都在～100MHz，而且不能进行绝对频率的校准。所以，我们需要通过设计实验方案来提高抽运光光谱的测量精度，并对光谱谱线频率进行精密测量。采用这种高精度光谱测量方案，对星载铷钟抽运光长时间变化情况进行测量后，可以进一步研究星载铷原子钟的光频移效应，评估抽运光光谱线型变化对铷原子钟稳定度和漂移率的影响。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法，用于直观精确的测出非相干光源光谱线型。
本发明的另一个目的在于提供一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，分辨率高，谱线频率可以精确标定，利用这种装置，可以很精确的测出非相干光源的光谱线型。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法，包括以下步骤：
步骤1：非相干光源发出的光，经过干涉滤光片滤光后，仅有包含D1线或D2线的光通过干涉滤光片，经滤光后的光再经过第一透镜准直后进入干涉仪；
步骤2：采用光学频率梳对准直后输入到干涉仪中的光的光绝对频率进行校准；
步骤3：光通过干涉仪后，通过控制并改变干涉仪的FP腔镜间的气压来改变FP腔镜间介质的折射率，从而改变干涉仪扫描的频率；或者通过外界压力方式改变干涉仪的回音壁光腔的周长，从而改变干涉仪扫描的频率；或者通过电光效应改变干涉仪的回音壁光腔的折射率，从而改变干涉仪扫描的频率；
步骤4：透射干涉仪的透射光经过第二透镜聚焦后进入光电倍增管，数据采集器对光电倍增管的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，包括非相干光源，还包括干涉滤光片、第一透镜、干涉仪、光学频率梳、第二透镜、光电倍增管和数据采集器，
干涉滤光片和第一透镜分别对非相干光源输出的光进行滤光和准直后输入到干涉仪，
光学频率梳对准直后输入到干涉仪中的光的光绝对频率进行校准，
透射干涉仪的透射光经过第二透镜聚焦后进入光电倍增管，数据采集器对光电倍增管的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：非相干光源的谱线宽度一般在GHz范围，目前通用的光谱测量仪的分辨率大约都在～100MHz，而且不能进行绝对频率的校准。使用本发明方法时，针对FP腔体的精细度低问题，通过提高FP腔体的镜面反射率提高了精细度。另外当高精度干涉仪内部腔为回音壁式光腔时，通过外部压力缓慢改变光腔的周长或者电光效应改变腔体折射率可以精确控制透过光腔的波长。考虑到～10GHz自由光谱程，腔体自身的分辨率则可达到小于1MHz的水平。因此，改进后的测量方案可以实现小于1MHz的光谱测量精度，较改进前提高100倍以上。另外，现有技术不能进行光谱线型频率的绝对测量，改进后可以进行光谱线型绝对测量。
附图说明
图1为高精度测量抽运光光谱原理图；
图2为一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置的结构示意图；
图3为采用图2中的装置测量的微波磁场分量分布示意图；
其中：1-非相干光源、2-干涉滤光片、3-第一透镜、4-干涉仪、5-光学频率梳、6-第二透镜、7-光电倍增管、8-数据采集器。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种非相干光源光谱线型精确测量方法，其步骤是：
步骤1：非相干光源1(本实施例中，采用铷光谱灯)发出的光，经过干涉滤光2片滤光后，仅有包含铷发光光谱D1线或D2线的光通过干涉滤光片2，经滤光后的光再经过第一透镜3准直后进入干涉仪4；
步骤2：光学频率梳5输出另外一束激光到干涉仪4，采用光学频率梳5对输入到干涉仪4中的经滤光准直后的非相干光源1的输出光的光绝对频率进行校准，激光可参考到原子光频参考或绝对光频参考，能够实现～1kHz的绝对精度；由于光学频率梳5的绝对频率是已知的，因此通过光学频率梳5与非相关光源1滤光准直后输入到干涉仪4中的光的频率进行比对，就可以实现光绝对频率校准。
步骤3：经滤光准直后的非相干光源1的输出光通过干涉仪4后，通过控制并改变干涉仪4的FP腔的腔镜间的气压来改变腔镜间介质的折射率，从而改变干涉仪4扫描的频率；或者通过外界压力方式改变干涉仪4的回音壁光腔的周长，从而改变干涉仪4扫描的频率；或者通过电光效应改变干涉仪4的FP腔的折射率，从而改变干涉仪4扫描的频率；
步骤4：透射干涉仪4的出射光经过第二透镜6聚焦后进入光电倍增管7，数据采集器8对光电倍增管7的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
干涉仪4的FP腔或者回音壁式光腔均具有很好的精细度，保证该方法的测量精度和分辨率。干涉仪4所测的光谱频率采用光学频率梳5进行校准，得到的光谱线型的频率为绝对频率。
本发明方法的测量原理是：铷光谱灯发光通过窄带滤光片(干涉滤光片2)滤光，仅使包含D1线或D2线的光通过，经过第一透镜3准直，进入干涉仪4的FP腔或者回音壁式光腔。光线在干涉仪4的FP腔内的两个高反射腔镜之间发生多次反射，反射光之间发生多光束干涉，只有特定波长的光可以透过FP腔或者回音壁式光腔，出射光通过第二透镜6后被光电倍增管7探测。改变干涉仪4扫描的频率，透过干涉仪4的FP腔或者回音壁式光腔的波长随之发生变化，从而扫描出精细光谱谱线，最后通过数据采集器8得到实验数据。
采用光学频率梳5来辅助校准抽运光绝对频率的原理如下图1所示。光学频率梳5采用电光调制方案，基频光可参考到原子光频参考或绝对光频参考，至少能够实现～1kHz的绝对精度；射频调制信号可参考到类似氢钟等频率标准上，保证各梳齿频率绝对精度也能达到～1kHz水平。利用这个原理，就可以很好的对抽运光的频率进精确标定。
实施例2：
如图2，一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，用于实现实施例1中的一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法，包括非相干光源1、干涉滤光片2、第一透镜3、干涉仪4、光学频率梳5、第二透镜6、光电倍增管7、以及数据采集器8。
干涉滤光片2和第一透镜3对非相干光源1输出的光进行滤光和准直，干涉仪4对设定波长的光进行光谱测量，
光学频率梳5对准直后输入到干涉仪4中的光的光绝对频率进行标定校准，透射干涉仪4的透射光经过第二透镜6聚焦后进入光电倍增管7，数据采集器8对光电倍增管7的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
干涉仪4的FP腔或者回音壁式光腔均具有很好的精细度，保证本装置的测量精度和分辨率。
干涉仪4所测的光谱频率采用光学频率梳5进行校准，得到的光谱线型的频率为绝对频率。
实施例3：
在本实施例中，非相干光源1选取中科院武汉物理与数学研究申请的发明专利(一种铷光谱灯，专利号ZL201310316178.2)，
一种非相干光源光谱线型精确测量方法，包括以下步骤：
步骤1，非相干光源1发出的光经过中心波长为780nm、带宽为10nm的干涉滤光片2滤光后得到包含D1线的光，包含D1线的光通过第一透镜3准直后进入干涉仪4(FP干涉仪)；
步骤2，光学频率梳5输出另外一束频率为780nm的激光到干涉仪4，激光频率梳5采用电光调制方案，频率梳5的射频调制信号参考到氢钟频率标准上，保证各梳齿频率绝对精度达到～1kHz水平。
步骤3：经滤光准直后的非相干光源1的输出光进入干涉仪4后，通过控制改变干涉仪4的FP腔的腔镜间的气压，改变腔镜间介质的折射率，从而改变干涉仪4的透射光频率，透过FP腔的波长随之发生变化。
步骤4：干涉仪4的出射光经过焦距为180mm的第二透镜6聚焦后进入光电倍增管7，最后通过数据采集器8得到铷光谱灯的D1线的超精细光谱线型，包括铷原子发光超精细结构的a线和b线，如图3所示，实施过程中，本实施例一共测量了3个铷光谱灯的光谱线型。图3中，L1、L2、L3分别代表3个铷光谱灯的光谱线型。
其他与实施例1相同。
目前没有现有技术方案可以实现小于10MHz的光谱测量精度，目前通用的光谱测量仪的分辨率大约都在～100MHz，而且不能进行绝对频率的校准。通过提高FP腔或回音壁式光腔的设计精度，使自身的分辨率则可达到小于1MHz的水平。因此，测量方案可以实现小于1MHz的光谱测量精度，较改进前提高100倍以上。另外，本发明可以进行光谱线型绝对测量。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。

Claims (2)

1.一种用于非相干光源光谱线型精确测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：非相干光源（1）发出的光，经过干涉滤光片（2）滤光后，仅有包含D1线或D2线的光通过干涉滤光片（2），经滤光后的光再经过第一透镜（3）准直后进入干涉仪（4）；
步骤2：采用光学频率梳（5）对准直后输入到干涉仪（4）中的光的光绝对频率进行校准；
步骤3：光通过干涉仪（4）后，通过控制并改变干涉仪（4）的FP腔镜间的气压来改变FP腔镜间介质的折射率，从而改变干涉仪（4）扫描的频率；或者通过外界压力方式改变干涉仪（4）的回音壁光腔的周长，从而改变干涉仪（4）扫描的频率；或者通过电光效应改变干涉仪（4）的回音壁光腔的折射率，从而改变干涉仪（4）扫描的频率；
步骤4：透射干涉仪（4）的透射光经过第二透镜（6）聚焦后进入光电倍增管（7），数据采集器（8）对光电倍增管（7）的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
2.一种用于非相干光源光谱线型精确测量的装置，包括非相干光源（1），其特征在于，还包括干涉滤光片（2）、第一透镜（3）、干涉仪（4）、光学频率梳（5）、第二透镜（6）、光电倍增管（7）和数据采集器（8），
干涉滤光片（2）和第一透镜（3）分别对非相干光源（1）输出的光进行滤光和准直后输入到干涉仪（4），
光学频率梳（5）对准直后输入到干涉仪（4）中的光的光绝对频率进行校准，光通过干涉仪（4）后，通过控制并改变干涉仪（4）的FP腔镜间的气压来改变FP腔镜间介质的折射率，从而改变干涉仪（4）扫描的频率；或者通过外界压力方式改变干涉仪（4）的回音壁光腔的周长，从而改变干涉仪（4）扫描的频率，或者通过电光效应改变干涉仪（4）的回音壁光腔的折射率，从而改变干涉仪（4）扫描的频率，
透射干涉仪（4）的透射光经过第二透镜（6）聚焦后进入光电倍增管（7），数据采集器（8）对光电倍增管（7）的输出进行采样得到干涉仪测量的非相干光源的光谱线型。
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