CN117289488B - 一种基于原子气室调制的光束相位控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于原子气室调制的光束相位控制系统，其包括底座、原子气室、第一分光组件、第二分光组件、二向镜组件和PD阵列；底座的一端设有第一射光组件，另一端设有第二射光组件，第一光束与第二光束具有不同的波长；原子气室设在第一射光组件与第二射光组件之间并与底座连接；第一分光组件设在第一射光组件与原子气室之间，第二分光组件设在第二射光组件与原子气室之间；二向镜组件设在第一分光组件与原子气室之间，PD阵列与底座连接；第一分光组件分出的光束穿过二向镜组件后射入原子气室，第二分光组件分出的光束穿过原子气室后经二向镜组件反射至PD阵列。本发明提供多路稳频信号，稳频准确度更高。

Description

一种基于原子气室调制的光束相位控制系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于原子气室调制的光束相位控制系统。

背景技术

近年来，随着光学技术，尤其是激光技术的迅猛发展，其应用领域也越来越广泛。在各种原子系统中，激光是操控原子的经典手段。激光频率的稳定性直接关系到原子操控精度和相应系统的工作性能水平。为了克服激光源装置出现的慢漂、抖动和跳模等问题，通常需要将输出激光的中心频率锁定在某个稳定度很高的参考频率上，例如原子、分子的吸收谱线、法布里珀罗标准具等。

目前，用于激光稳频的参考频率一般使用原子跃迁谱线和高精度的谐振腔等。其中，基于原子跃迁谱线的调制转移谱稳频方法因没有介质的多普勒吸收背景，能够获得更高的误差信号和更准确的频率设定点，受到广泛青睐。但是，现有的基于原子气室调制的稳频装置由于包含大量光学器件，空间利用率低，且通常只能提供一路光束透过原子气室以获得实现相位控制稳频的原子参考信号，稳频操作对该单一信号源的依赖度高。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供了一种基基于原子气室调制的光束相位控制系统。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于原子气室调制的光束相位控制系统，其包括底座、原子气室、第一分光组件、第二分光组件、二向镜组件和PD阵列。底座的一端设有用于射入第一光束的第一射光组件，另一端设有用于射入第二光束的第二射光组件，第一光束与第二光束具有不同的波长；原子气室设在第一射光组件与第二射光组件之间并与底座连接；第一分光组件设在第一射光组件与原子气室之间，第一分光组件用于将第一光束分成多条平行的光束；第二分光组件设在第二射光组件与原子气室之间，第二分光组件用于将第二光束分成多条平行的光束，第二分光组件分出的光束的数量与第一分光组件分出的光束的数量相等，所述第二分光组件分出的光束与第一分光组件分出的光束一一对应且路径重合，以耦合所述第二分光组件分出的光束以及所述第一分光组件分出的光束，自原子气室出射的所述第二分光组件分出的光束携带有原子气室的原子跃迁信息；二向镜组件，所述二向镜组件设在第一分光组件与原子气室之间；PD阵列，所述PD阵列与底座连接，所述PD阵列外接或内置光电探测器；所述第一分光组件分出的光束穿过二向镜组件后射入原子气室，第二分光组件分出的光束穿过原子气室后经二向镜组件反射至PD阵列，所述PD阵列将接收到的光信号转化为光束相位控制电信号。

在一些实施例中，第一分光组件包括：

一级半透半反镜，一级半透半反镜将第一光束分成两束相互垂直的二分光束；

两个二级半透半反镜，每个二级半透半反镜将一束二分光束分成两束相互垂直的四分光束；

四个三级半透半反镜，每个三级半透半反镜将一束四分光束分成两束相互垂直的八分光束；

四个全反镜，四束八分光束穿过二向镜组件后射入原子气室，其余的八分光束经全反镜反射后穿过二向镜组件并射入原子气室。

在一些实施例中，所述的第一分光组件用于将第一光束分成多条平行的光束，即第一分光组件用于将第一光束分成八束平行的八分光束。

在一些实施例中，所述的第二分光组件用于将第二光束分成多条平行的光束，即第二分光组件用于将第二光束分成八束平行的八分光束。

在一些实施例中，第二分光组件与第一分光组件关于底座的一截面镜像对称。

在一些实施例中，基于原子气室调制的光束相位控制系统还包括偏振分束器和反光镜，所述偏振分束器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器；所述反光镜包括第一反光镜、第二反光镜；第一射光组件与第一分光组件之间设有第一偏振分束器和第一反光镜，第一光束穿过第一偏振分束器后由第一反光镜反射至第一分光组件的一级半透半反镜；第二射光组件与第二分光组件之间设有第二偏振分束器和第二反光镜，第二光束穿过第二偏振分束器后由第二反光镜反射至第二分光组件的一级半透半反镜。

在一些实施例中，基于原子气室调制的光束相位控制系统还包括周壁和盖板，盖板与底座平行，周壁设在盖板与底座之间，原子气室、第一分光组件、第二分光组件、二向镜组件、偏振分束器和反光镜均设在由底座、周壁和盖板构成的空间内，周壁上设有用于第一光束和第二光束穿过的通孔。

在一些实施例中，二向镜组件包括八个二向镜，八个二向镜与八束八分光束一一对应，每个二向镜将第二分光组件分出的八束八分光束反射至PD阵列。

在一些实施例中，八个二向镜呈线性排列。

在一些实施例中，第一射光组件以及第二射光组件均包括安装座、准直器、外封管和镜片架，安装座上设有贯穿其两端的通孔，安装座的一端与底座连接，准直器的一端插入通孔，外封管套设在准直器的外侧，镜片架嵌入安装座并可绕着通孔的轴线转动，镜片架的至少部分外漏于安装座的外侧，镜片架的中心设有镜片。

在一些实施例中，所述原子气室为碱金属原子气室。

在一些实施例中，所述原子气室为铯原子气室。

与现有技术相比，本发明能够带来以下至少一种有益效果：

1、本发明采用第二光束的八分光束在原子气室内与第一光束的八分光束相遇并对射，使得出射的第二光束的八分光束均携带有原子跃迁信息，使得稳频信号准确度更高，避免了因不可预测的情况所导致的某个稳频信号不准确，进而使得稳定操作失败的情形。

2、本发明的PD阵列可以外接或内置光电探测器，把其接收到的携带有原子跃迁信息第二光束的八分光束光信号转变成电信号后作为稳频信号与目标光源的基频信号进行比较后反馈至激光源相位控制系统，实现稳频。

3、本发明的光学元件结构紧凑，空间利用率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的立体图。

图2是图1中移除盖板后的结构图。

图3是本发明实施例移除盖板后的俯视图。

图4是本发明实施例的射光组件的结构图。

图5是在图3中添加了光路后的示意图。

附图标记说明如下：

图中：1、底座；2、原子气室；3、第一分光组件；301、一级半透半反镜；302、二级半透半反镜；303、三级半透半反镜；304、全反镜；4、第二分光组件；5、二向镜组件；501、二向镜；6、PD阵列；7、第一射光组件；701、安装座；702、准直器；703、外封管；704、镜片；705、镜片架；8、第二射光组件；9、盖板；10、周壁；11、第一偏振分束器；12、第一反光镜；13、第二偏振分束器；14、第二反光镜。

具体实施方式

以下对本发明的各个方面进行进一步详述。

除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。

以下对术语进行说明。

除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“AND”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“OR”，而“AND”是“OR”的子集。

可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。

本发明中，术语“含有”、“包含”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由...组成”包含在术语“含有”、“包含”或“包括”中。

除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

例如，如果一个元件(或部件)被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。

另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。

本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。

参见图1-图5所示，本发明提供了一种基于原子气室调制的光束相位控制系统，其包括底座1、原子气室2、第一分光组件3、第二分光组件4、二向镜组件5和PD阵列6。底座1的左端设有用于射入第一光束的第一射光组件7，右端设有用于射入第二光束的第二射光组件8，第一光束与第二光束具有不同的波长，而且第一光束与第二光束共线；原子气室2设在第一射光组件7与第二射光组件8之间并与底座1连接；第一分光组件3设在第一射光组件7与原子气室2之间，第一分光组件3用于将第一光束分成多条平行的光束；第二分光组件4设在第二射光组件8与原子气室2之间，第二分光组件4用于将第二光束分成多条平行的光束，第二分光组件4分出的光束的数量与第一分光组件3分出的光束的数量相等，第二分光组件4分出的光束与第一分光组件3分出的光束一一对应且路径重合；二向镜组件5设在第一分光组件3与原子气室2之间，PD阵列6与底座1连接；第一分光组件3分出的光束穿过二向镜组件5后射入原子气室2，第二分光组件4分出的光束穿过原子气室2后经二向镜组件5反射至PD阵列6。

在本实施例中，第一分光组件3包括一个一级半透半反镜301、两个二级半透半反镜302、四个三级半透半反镜303和四个全反镜304，本发明中所采用的半透半反镜的分光比例为1:1，也就是说，一束光束穿过半透半反镜后被分成能量相等的两束。一级半透半反镜301将第一光束分成两束相互垂直的二分光束，每个二级半透半反镜302将一束二分光束分成两束相互垂直的四分光束，每个三级半透半反镜303将一束四分光束分成两束相互垂直的八分光束。四束八分光束穿过二向镜组件5后射入原子气室2，其余的八分光束经全反镜304反射后穿过二向镜组件5并射入原子气室2。如图2所示，本实施例中的原子气室2、第一分光组件3、第二分光组件4、二向镜组件5和PD阵列6均安装在底座1的同一个表面上，第一分光组件3中的一级半透半反镜301、二级半透半反镜302、三级半透半反镜303和全反镜304在底座1上的具体位置关系可参见图3。

需要说明的是，在本实施例中，前述的第一分光组件3用于将第一光束分成多条平行的光束，即第一分光组件3用于将第一光束分成八束平行的八分光束。

如图3所示，本实施例中，第二分光组件4与第一分光组件3关于底座1的一横截面对称，其中第二分光组件4的分束过程可参考第一分光组件3的分束过程，此处不再赘述。

需要说明的是，前述的第二分光组件4用于将第二光束分成多条平行的光束，即第二分光组件4用于将第二光束分成八束平行的八分光束。

基于原子气室调制的光束相位控制系统还包括偏振分束器和反光镜。第一射光组件7与第一分光组件3之间设有第一偏振分束器11和第一反光镜12，第一光束穿过第一偏振分束器11后由第一反光镜12反射至第一分光组件3的一级半透半反镜301。第二射光组件8与第二分光组件4之间设有第二偏振分束器13和第二反光镜14，第二光束穿过第二偏振分束器13后由第二反光镜14反射至第二分光组件4的一级半透半反镜301。

如图1和图2所示，本实施例的基于原子气室调制的光束相位控制系统还包括周壁10和盖板9，盖板9与底座1平行，周壁10设在盖板9与底座1之间，原子气室2、第一分光组件3、第二分光组件4、二向镜组件5、偏振分束器和反光镜均设在由底座1、周壁10和盖板9构成的空间内，周壁10上设有用于第一光束和第二光束穿过的通孔。

如图3所示，在本实施例中二向镜组件5包括八个二向镜501，八个二向镜501与八束八分光束一一对应，八个二向镜501呈线性排列，八个二向镜501所在的直线与底座1的长边之间的夹角为45°。在本实施例中，第一光束的波长为509nm，第二光束的波长为852nm。

如图4所示，第一射光组件7包括安装座701、准直器702、外封管703和镜片架705，安装座701上设有贯穿其两端的通孔，安装座701的一端与底座1连接，准直器702的一端插入通孔，外封管703套设在准直器702的外侧，镜片架705嵌入安装座701并可绕着通孔的轴线转动，镜片架705的至少部分外漏于安装座701的外侧，镜片架705的中心设有镜片704。需要说明的是，第二射光组件8具有与第一射光组件7相同的结构，此处不再赘述。

本实施例中的镜片架705可360°旋转，通过旋转镜片架705可调节偏振分光的比例。一一对应且光路重合的波长为509nm的八分光束以及波长为852nm的八分光束在原子气室2内相遇并对射，使波长为509nm的八分光束以及波长852nm的八分光束光耦合，进而使得自原子气室2出射的波长为852nm的八分光束携带有原子跃迁信息，其穿过原子气室2并射在二向镜501上，并被反射至PD阵列6。

需要说明的是，所述原子气室2提供原子跃迁或分子跃迁的原子或分子，其被耦合以接收所述穿过原子气室2的波长为852nm的八分光束，进而产生携带有所述原子跃迁或分子跃迁信息的波长为852nm输出光学信号。

具体地，由于波长为509nm的八分光束的光强大于波长为852nm的八分光束的光强，因此，波长为509nm的八分光束在原子气室2内会产生饱和作用，原子气室2提供的原子跃迁或分子跃迁的原子或分子与波长为509nm的八分光束发生跃迁反应，而不会与波长为852nm的八分光束发生作用，因此，自原子气室2出射的波长为852nm八分光束携带有原子跃迁或分子跃迁信息，可作为输出光学信号。所述输出光学信号用于生成基于原子参考的反馈信号，所述反馈信号即可用于激光源稳频。由于，得到基于原子参考的反馈信号之后进行激光源稳频是现有技术，此处不再赘述。

本实施例中的所述原子气室2为碱金属原子气室，进一步，所述原子气室2为铯原子气室。

本实施例中的PD阵列6可用于与激光源的稳频电路进行连接，起到稳频的作用。本实施例采用波长852nm的八分光束在原子气室2内与波长为509nm的八分光束相遇并对射，使得出射的波长为852nm的八分光束均携带有原子跃迁信息，使得稳频信号的精度更高，避免了因不可预测的情况所导致的某个稳频信号不可使用，进而使得稳定操作失败的情形。

另外，PD阵列6可以外接或内置光电探测器，把其接收到的光信号转变成电信号后作为稳频信号与目标光源的基频信号进行比较后反馈至激光源相位控制系统，实现稳频。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，包括：

底座，所述底座的一端设有用于射入第一光束的第一射光组件，另一端设有用于射入第二光束的第二射光组件，第一光束与第二光束具有不同的波长；

原子气室，所述原子气室设在第一射光组件与第二射光组件之间并与底座连接；

第一分光组件，所述第一分光组件设在第一射光组件与原子气室之间，第一分光组件用于将第一光束分成多条平行的光束；

第二分光组件，所述第二分光组件设在第二射光组件与原子气室之间，第二分光组件用于将第二光束分成多条平行的光束；

第二分光组件分出的光束的数量与第一分光组件分出的光束的数量相等，所述第二分光组件分出的光束与第一分光组件分出的光束一一对应且路径重合，以耦合所述第二分光组件分出的光束以及所述第一分光组件分出的光束，自原子气室出射的所述第二分光组件分出的光束携带有原子气室的原子跃迁信息；

二向镜组件，所述二向镜组件设在第一分光组件与原子气室之间；

PD阵列，所述PD阵列与底座连接，所述PD阵列外接或内置光电探测器；

所述第一分光组件分出的光束穿过二向镜组件后射入原子气室，第二分光组件分出的光束穿过原子气室后经二向镜组件反射至PD阵列，所述PD阵列将接收到的光信号转化为光束相位控制电信号。

2.根据权利要求1所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述第一分光组件包括：

一个一级半透半反镜，一级半透半反镜将第一光束分成两束相互垂直的二分光束；

两个二级半透半反镜，每个二级半透半反镜将一束二分光束分成两束相互垂直的四分光束；

四个三级半透半反镜，每个三级半透半反镜将一束四分光束分成两束相互垂直的八分光束；

四个全反镜，四束八分光束穿过二向镜组件后射入原子气室，其余的四束八分光束分别经四个全反镜反射后穿过二向镜组件并射入原子气室。

3.根据权利要求2所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于：所述第二分光组件与所述第一分光组件关于所述底座的一截面镜像对称。

4.根据权利要求3所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，还包括偏振分束器和反光镜，所述偏振分束器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器；所述反光镜包括第一反光镜、第二反光镜；第一射光组件与第一分光组件之间设有第一偏振分束器和第一反光镜，第一光束穿过第一偏振分束器后由第一反光镜反射至第一分光组件的一级半透半反镜；第二射光组件与第二分光组件之间设有第二偏振分束器和第二反光镜，第二光束穿过第二偏振分束器后由第二反光镜反射至第二分光组件的一级半透半反镜。

5.根据权利要求4所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于：还包括周壁和盖板，盖板与底座平行，周壁设在盖板与底座之间，原子气室、第一分光组件、第二分光组件、二向镜组件、偏振分束器和反光镜均设在由底座、周壁和盖板构成的空间内，周壁上设有用于第一光束和第二光束穿过的通孔。

6.根据权利要求2所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于：二向镜组件包括八个二向镜，八个二向镜与八束八分光束一一对应，每个二向镜将一束第二分光组件分出的八束八分光束反射至PD阵列。

7.根据权利要求6所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于：八个所述二向镜呈线性排列。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述第一射光组件以及第二射光组件均包括： 安装座，所述安装座上设有贯穿其两端的通孔，所述安装座的一端与所述底座连接； 准直器，所述准直器的一端插入所述通孔；外封管，所述外封管套设在所述准直器的外侧； 镜片架，所述镜片架嵌入所述安装座并可绕着所述通孔的轴线转动，所述镜片架的至少部分外漏于所述安装座的外侧，所述镜片架的中心设有镜片。

9.根据权利要求8所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述原子气室为碱金属原子气室。

10.根据权利要求9所述的基于原子气室调制的光束相位控制系统，其特征在于，所述原子气室为铯原子气室。