CN1617038A - 一种开放式电热恒温光窗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式电热恒温光窗，它由加热丝、保温炉、金属骨架组成，金属骨架的一个端面直接与保温炉内端相连接，另一个端面为散热端面，加热丝直接绕在金属骨架外周上，金属骨架与保温炉之间有一加热空气输出通道。本发明结构简单，使用方便，集通光、加热、恒温为一体，可以单个或成对使用，提高了原子蒸汽或者分子气体滤光器件的性能，以保证使用滤光器件的系统(通信，雷达，科学实验等)能很好工作。本发明适合在弱激光、荧光条件、特别在单光子探测水平下使用。

Description

一种开放式电热恒温光窗

                              技术领域

本发明涉及光学与无线电电子学领域，更具体涉及一种开放式电热恒温光窗，本发明装置取代传统的保温玻璃或者其它材料的光窗，能够极大地提高原子蒸汽或者分子气体滤光器件的性能，使得相关工作参数得到改善，增加器件的透过率、提高器件的滤光效率，以保证整个使用系统(如通信，雷达，科学实验等)能够很好地工作。本发明适合在弱激光、荧光条件、特别在单光子探测水平下使用。

                              背景技术

使用碱金属原子蒸汽和分子气体(例如碘)设计的器件已经在许多领域找到了应用。例如，激光锁频、高速光调制、太阳Na线的观测。利用原子与分子的超窄谱线，也能够制作优良的宽带背景光子噪声抑制的滤光器件，象用于80km-110km高空Na、K层荧光探测的Na、K-Lidar中的Na、K磁光效应滤光器件(FAD)；激光对潜通信中的Cs原子共振滤光器(ARF)，自由空间激光通信中的Rb、Cs法拉第滤光器件(FADOF)，测量海洋温度的Lidar接收机中的激发态Rb法拉第滤光器(EFADOF)等。

碱原子蒸汽滤光器件通常需要工作于一定温度条件，保证工作所需原子密度和工作谱线的稳定性。因此，在这些器件中都设计了有保温窗片光窗—即使用密封的透明窗片使得能够通光又能够保持器件工作于必须的温度下。但是，有保温窗片光窗的玻璃窗片本身造成了光衰减、玻璃表面的菲涅尔效应光损失、玻璃表面的不平造成光束畸变等问题。对于光窗保温窗片出现的问题，人们已经使用了许多方法，例如，保温窗片玻璃上镀高透过膜，使用蓝宝石玻璃，将布勒斯特角窗代替平面玻璃窗等。但是，带来了新的问题是工作波长受限制，加热减少保温窗片工作寿命和光入射角度减小等。

                            发明内容

本发明的目的在于提供了一种开放式电热恒温光窗，结构简单，使用方便。其提高了原子滤光器件的无失真透过率，使得能够工作于～0.1的超低平均光子数条件，因此，将在许多领域里具有重要作用的碱原子滤光器件扩展应用到量子密钥分发和量子通信领域。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术措施：一种开放式电热恒温光窗主要包括加热丝和金属骨架、保温炉、电热恒温通光孔。开放式电热恒温光窗不使用密封的保温窗片，此无保温窗片设计用于消除由于滤光器件炉子的保温窗片光窗产生的直接光衰减和菲涅尔效应(光双折射效应)造成的光损失等；无保温窗片设计同时可以消除长期高温工作而释放的杂质污染保温窗片光窗而造成的光衰减；电热恒温光窗内设计的梯度加热方式保证了原子蒸汽或者分子气体样品泡的通光端面不被工作物质本身污染。本发明—一种开放式电热恒温光窗用于原子蒸汽或者分子气体滤光器件，对于达到减少光损失，提高滤光器件对背景光噪声抑制能力的目的起到了重要作用。

通常大气激光通信实验是在较强的入射激光(光功率为mW/cm²或者μW/cm²量级)情况下进行的，而量子保密通信需要在单光子水平条件下对信号进行保真传送。由于背景光(例如月光、阳光)相对很强，光学滤光成为一个非常关键的问题。原子蒸汽或者分子气体滤光的方法具有高透射，原子或者分子谱线量级的滤光带宽，大角度接收，响应速度快，工作频率在一定范围内可调谐等特点。因此，被广泛应用于激光雷达，激光通信和高速光调制等领域。理论上，也能够用于量子保密通信。

为了在量子保密通信中能够使用原子蒸汽或者分子气体滤光，发明了一种开放式电热恒温光窗。本发明设计为无保温窗片光窗，其由电热恒温通光孔、加热丝、保温炉、加热丝的金属骨架、骨架内散热端面和加热空气输出通道组成。它们之间的连接关系为：加热丝的金属骨架为主体，金属骨架内孔设计为电热恒温通光孔。金属骨架的一个端面直接与保温炉内端相连接，另一个端面为散热端面。金属骨架外周绕有加热丝。金属骨架与保温炉之间形成的空间为加热空气输出通道。当开放式电热恒温光窗工作时，加热丝加热金属骨架，在内孔形成热障，保持保温炉内温度并且使得入射光无障碍的通过。保温炉保证金属骨架不向外散热，而加热丝加热空气也通过输出通道与金属骨架散热端面向内散热共同作用加热保温炉。

并且，首次将本发明—一种开放式电热恒温光窗用于原子滤光器件中取代了保温玻璃光窗。此技术方案的实验表明，使用了本发明—一种开放式电热恒温光窗的原子滤光器件能够工作于～0.1超低平均光子数弱激光脉冲条件，原子滤光器件重要参数之一的透过率被极大地提高，超过60％。使用了开放式电热恒温光窗原子滤光器件装备的量子通信系统，能够很好地工作在室内灯光、室内白天、室外星光和室外白天无阳光条件下，获得合理筛选数据和误码率的量子密钥。因此，本发明使得原子滤光器件可能应用于白天阳光下的量子密码通信，也可以装备在已有的应用系统(例如激光雷达、激光通讯，激光导星等)里的原子蒸汽或者分子气体滤光器件中，进一步改善系统性能，具有非常重要的作用和潜在应用价值。

本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：

1)与使用保温玻璃的光窗相比，本发明使得原子蒸汽或者分子气体滤光器件更可能实用化。加有保温玻璃光窗的滤光器件会因为玻璃面而引起入射和出射光损失(包括光衰减、退偏振和菲涅尔效应等)，本发明保证弱光或者光子无失真地、无损失地通过，特别在弱激光、荧光甚至随机光子脉冲序列工作时系统具有根本性的改善。

2)与直接使用格兰棱镜作为保温窗方法比较，本发明使得滤光器件具有更长工作寿命。格兰棱镜由两块方解石组成，中间为粘合剂。长期工作在较高温度条件，或许将影响其工作性能(表面或者中间)，逐渐产生入射或者出射激光、随机光子序列退偏振、光损失等。本发明的形式使得不可能出现此类状况。

3)与使用镀高增透膜玻璃或者直接使用蓝宝石窗片方法的比较，本发明具有更低成本和持久工作效率的特点。镀高增透膜玻璃的不适宜于长期工作在较高温度情况，性能会随时间而变差，而且通常工作在特定波长或者波段。蓝宝石窗片本身的性能是无可质疑的，耐高温并且宽波段高透过，仅有的缺点是价格较高。但是，两种材料保温窗片长期在高温工作下，同样会因为炉子内加热释放的杂质污染而导致通光特性下降。而本发明无保温窗片的设计，完全消除了这个隐患，能够长期保证系统正常工作。

4)与使用布勒斯特光窗的器件相比，本发明使得滤光器件可以工作在大视场角，更适用于弱激光通信或者量子密钥分发系统中的信号接收背景噪声抑制。布勒斯特窗的使用要求一定角度的光入射，偏离了要求的角度会使得布勒斯特窗的性能大打折扣。而自由空间激光通信或者量子密钥分发更多地要求在宽视场条件工作，布勒斯特光窗则不能够胜任。本发明装备的原子蒸汽或者分子气体滤光器件依然保持宽视场工作的特点，不受任何影响。

5)与所有采用密封方式的光窗相比，本发明使用开放式结构，使得透过光波长不再受到任何限制。特别对于真空紫外等特殊波长区域，透窗材料难找的情况下，本发明的优点更明显。

作为应用的一个例子，本发明应用于原子蒸汽或者分子气体滤光器件，使得原子滤光器件获得大于60％的高透过率，并且能够正常地工作于～0.1超低平均光子数条件，量子密钥分发系统在室内灯光下、室内白天、室外星光下和室外白天无阳光条件获得了合理筛选数据和误码率的自由空间量子通信演示。并且，使用本发明——电热恒温光窗的原子滤光器件已经正常工作超过一年时间了。

                             附图说明

图1为一种开放式电热恒温光窗的结构示意图。

图2是图1的配合示意图。

其中：1-电热恒温通光孔，2-加热丝，3-保温炉，4-金属骨架，5-散热端面，6-加热空气输出通道，7-磁屏蔽金属套，8-永久磁铁，9-原子蒸汽或者分子气体样品泡。

                           具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先描述本发明各部件的材料、形状和结构：

a、无保温窗片的电热恒温通光孔1，保证弱激光或者光子脉冲序列无光损耗地通过。孔内包含罗纹及发黑处理，以增加热面积和热效率；孔的直径吻合于(通光)工作的弱激光或者光子束尺寸。

b、加热丝2，热梯度非均匀绕制结构(铠装双芯单绕、铠装单芯双绕，电热丝双绕)。

c、保温炉3为聚四氟乙烯塑料材料，产生合适样品(碱金属原子)密度和保证(原子或者分子谱线稳定)工作温度。

d、加热丝2的金属骨架4为铜金属，同时散热在电热恒温通光孔1内产生热障、在原子蒸汽或者分子气体样品泡9端面形成高温。

e、5为金属骨架4的散热端面，高效散热与来自热空气输出通道6的热空气合并加热原子蒸汽或者分子气体样品泡9。

f、6为热空气输出通道，使得加热丝加热的热空气能够输出到保温炉3中段。

g、磁屏蔽金属外壳7，为铁金属材料。

h、永久磁铁组8，合并产生纵向磁场，与入射光束同轴。

i、原子蒸汽或者分子气体样品泡9，提供(工作谱线)超窄线宽滤光条件。

以下详细叙述本发明各部件之间的连接关系：

一种开放式电热恒温光窗，提出了一种用于现行原子滤光器中的保温光窗。无任何玻璃或者其它材料的设计，使得弱激光、荧光或者光子脉冲序列可以无光损耗地通过。据此建立装置的目的是增加系统的效率。例如，电热恒温光窗的原子滤光器件使得量子通信系统可能更好地工作于超低平均光子数条件，减少本底光噪声引起的误码率，增长通信距离，加速实用化进程。

如图1所示，本发明由无保温窗片的电热恒温通光孔1、加热丝2、保温炉3、金属骨架4组成，以加热丝2的金属骨架4为主体，内孔设计为电热恒温通光孔1，金属骨架4内有散热端面5，金属骨架4的一个端面直接与保温炉3内端相连接，另一个端面为散热端面5。加热丝2直接绕在金属骨架4外周上，金属骨架4与保温炉3之间形成的空挡为加热空气输出通道6。

如图2所示，本发明通常成对或多个开放式电热恒温光窗使用，保温炉3加工为一体连接两个开放式电热恒温光窗，金属骨架4的散热端面5相对，中间放置原子蒸汽或者分子气体样品泡9，永久磁铁8分别安装在保温炉外、相对于金属骨架4的位置上，永久磁铁组8的外端为磁屏蔽金属外壳7。一种开放式电热恒温光窗主要功能包括：加热、保温、通光一体化；直接取代现有技术中传统使用的保温玻璃或者其它材料光窗，电加热和控温能够使得电热恒温通光孔1内形成热障，保证炉内温度不损失；消除了保温玻璃或者其它材料光窗窗片可能带来的所有问题(光衰减、光束畸变和光损失等)，而使得弱激光、荧光、特别是单光子脉冲无失真的完全通过电热恒温通光孔1。

结合图1和它的配合示意图2说明本发明的工作流程：

一个恒流电源通过控温器提供加热电功率到加热丝2，加热丝工作，使得金属骨架4达到预先设定的温度(从室温至470K温度范围内)，并保持恒温。加热丝2分别加热金属骨架4的外周，热空气通过加热空气输出通道6进入保温炉3中部，与金属骨架4的内端面5散热温度合并使得保温炉3内原子蒸汽或者分子气体样品泡9被加热。而且，形成的热梯度使得原子蒸汽或者分子气体样品泡9通光端面温度总是高于它的尾端，保证了其通光端面洁净。金属骨架4的散热使得其上的电热恒温通光孔1内形成热障，保证保温炉3内温度能够恒定在原子蒸汽或者分子气体样品泡9工作所需温度点上。当一束弱激光脉冲或者随机编码序列脉冲单光子束入射进入电热恒温通光孔1时，因为没有窗玻璃或者其它材料窗片阻碍，光束100％全通过电热恒温通光孔1，没有任何光或者光子衰减。

Claims (3)

1、一种开放式电热恒温光窗，它由加热丝(2)、保温炉(3)、金属骨架(4)组成，其特征在于：金属骨架(4)的一个端面直接与保温炉(3)内端相连接，另一个端面为散热端面(5)，加热丝(2)直接绕在金属骨架(4)外周上。

2、根据权利要求1所述的一种开放式电热恒温光窗，其特征在于：金属骨架(4)与保温炉(3)之间有一加热空气输出通道(6)。

3、根据权利要求1所述的一种开放式电热恒温光窗，其特征在于：金属骨架(4)内孔为电热恒温通光孔(1)。

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