專利名稱：薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻技術(shù)，具體是一種薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置。
背景技術(shù)：
激光作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要標(biāo)志，已經(jīng)在文化娛樂、工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。頻率穩(wěn)定是激光的重要特性之一，這就使得激光的穩(wěn)頻技術(shù)更加得到重視。激光頻率的穩(wěn)定對研究高分辨率分子和原子光譜、激光干涉測量、冷卻和俘獲原子、光纖通信、頻率選擇光學(xué)資料存儲具有重要意義。激光穩(wěn)頻技術(shù)是激光物理學(xué)、光譜學(xué)和電子學(xué)高度結(jié)合的產(chǎn)物，其隨著激光應(yīng)用的發(fā)展而發(fā)展。激光穩(wěn)頻技術(shù)既是尖端科學(xué)的關(guān)鍵組成部分，也是基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要工具，其在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在激光穩(wěn)頻技術(shù)的發(fā)展初期，由于只是關(guān)注參數(shù)穩(wěn)定、工作狀態(tài)和周圍環(huán)境的調(diào)控，激光頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10_8數(shù)量級，收效甚微。上世紀(jì)六十年代中期，日本的霜田光一等人提出用甲烷吸收線來穩(wěn)定激光頻率后，激光頻率穩(wěn)定度激增，很快達(dá)到10—11數(shù)量級。而后，激光穩(wěn)頻技術(shù)又進(jìn)入了一個(gè)新階段，即利用原子、分子的躍遷譜線來鎖定激光頻率，從而實(shí)現(xiàn)激光頻率穩(wěn)定，目前國內(nèi)外通常采用的正是此種技術(shù)。此種技術(shù)通過解調(diào)原子飽和吸收光譜得到薄池鑒頻信號來鎖定激光頻率，得到了很好的穩(wěn)頻效果。但是光譜線的增寬效應(yīng)掩蓋了光譜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，成為限制激光頻率穩(wěn)定度提高的主要因素。光譜線增寬的來源有三個(gè)因素譜線的自然寬度、壓致(碰撞)增寬、多普勒增寬。其中，當(dāng)壓力小于1333Pa (IOmmHg)時(shí)，壓致增寬并不嚴(yán)重，與自然寬度有相同數(shù)量級。而多普勒增寬通常比自然寬度大兩個(gè)數(shù)量級，是實(shí)際譜線寬度的主要成分。因此，若能消除多普勒增寬，即可消除光譜線增寬，從而提高激光頻率穩(wěn)定度?；诖?，為了解決現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)受多普勒增寬影響其激光頻率穩(wěn)定度提高受到限制的問題，發(fā)明一種全新的多普勒增寬消除技術(shù)成為了必然。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)受多普勒增寬影響其激光頻率穩(wěn)定度提高受到限制的問題，提供了一種薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置，包括半導(dǎo)體激光器、偏振分束棱鏡、吸光片、光電探測器、白玻璃片、鎖相放大器、單光子探測器、示波器；半導(dǎo)體激光器的出射端與偏振分束棱鏡的入射端之間設(shè)有由激光隔離器和半波片依次串接而成的光路；偏振分束棱鏡的反射出射端與白玻璃片的入射端之間設(shè)有第二全反射鏡；白玻璃片的反射出射端與光電探測器之間設(shè)有由第一全反射鏡、銫原子蒸汽泡、半透射半反射鏡依次串接而成的光路；半透射半反射鏡設(shè)于白玻璃片的透射出射端與吸光片之間；偏振分束棱鏡的透射出射端與單光子探測器之間設(shè)有由第三全反射鏡、第四全反射鏡、光強(qiáng)衰減片、第一凸透鏡、第二凸透鏡、銫原子蒸汽薄池、第三凸透鏡依次串接而成的光路；光電探測器與示波器之間連接有第一 BNC線；鎖相放大器與半導(dǎo)體激光器之間連接有第二BNC線；鎖相放大器與示波器之間連接有第三BNC線；單光子探測器與鎖相放大器之間連接有第四BNC線。工作時(shí)，半導(dǎo)體激光器輸出的高穩(wěn)定性單模激光依次透過激光隔離器、半波片后入射到偏振分束棱鏡，然后由偏振分束棱鏡分出弱的透射激光用于薄池單光子吸收光譜和強(qiáng)的反射激光用于飽和吸收光譜(飽和吸收光譜用來和薄池單光子吸收光譜進(jìn)行對比)。其中，偏振分束棱鏡分出的反射激光被第二全反射鏡反射后入射到白玻璃片。入射到白玻璃片的98%的激光透過白玻璃片后入射到半透射半反射鏡。入射到半透射半反射鏡的激光一部分透過半透射半反射鏡后由吸光片吸收，另一部分則由半透射半反射鏡反射后入射到銫原子蒸汽泡。入射到白玻璃片的2%的激光由白玻璃片反射后，再由第一全反射鏡反射后入射到銫原子蒸汽泡，然后透過半透射半反射鏡后射入光電探測器。此時(shí)通過調(diào)節(jié)白玻璃片、第二全反射鏡和半透射半反射鏡使得相向傳播的兩束激光(即相向入射到銫原子蒸汽泡的兩束激光)的光路重合，即可獲得飽和吸收光譜信號。所獲得的飽和吸收光譜信號被光電 探測器探測到后通過第一 BNC線輸入到示波器進(jìn)行監(jiān)測，并作為薄池單光子吸收光譜信號的參考。偏振分束棱鏡分出的透射激光依次被第三全反射鏡、第四全反射鏡反射，然后經(jīng)過光強(qiáng)衰減片減弱光強(qiáng)，隨后由第一凸透鏡和第二凸透鏡擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光與銫原子蒸汽薄池中的銫原子蒸汽薄膜相互作用，由此獲得薄池單光子吸收光譜信號。薄池單光子吸收光譜信號經(jīng)過第三凸透鏡匯聚后被單光子探測器探測到，然后通過第四BNC線輸入到鎖相放大器解調(diào)得到薄池鑒頻信號。薄池鑒頻信號一部分通過第三BNC線輸入到示波器上進(jìn)行觀測并與飽和吸收光譜信號對比，另一部分通過第二 BNC線輸入到半導(dǎo)體激光器的頻率調(diào)制口，用于鎖定半導(dǎo)體激光器輸出激光的頻率。圖2所示即為飽和吸收光譜信號、薄池單光子吸收光譜信號、薄池鑒頻信號的波形對照圖。在上述過程中，當(dāng)激光與銫原子蒸汽薄池中的銫原子蒸汽薄膜相互作用時(shí)，由于銫原子在兩壁之間的飛行時(shí)間短于銫原子的超精細(xì)能級的光學(xué)泵浦時(shí)間，形成了選擇慢原子激發(fā)的物理機(jī)制，從而在激光正入射的一維方向上消除了多普勒效應(yīng)(即消除了多普勒增寬)，提高了激光頻率的穩(wěn)定度。采用單光子探測器探測薄池單光子吸收光譜信號則消除了因激光太強(qiáng)引起的譜線展寬。基于此，與現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)相比，本發(fā)明所述的薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置即有效解決了現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)受多普勒增寬影響其激光頻率穩(wěn)定度提高受到限制的問題。實(shí)驗(yàn)表明，采用本發(fā)明所述的薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置可將半導(dǎo)體激光器輸出激光的頻率鎖定在500KHz以內(nèi)，鎖定時(shí)間超過300分鐘，鎖定激光頻率的穩(wěn)定度可達(dá)7X 10_n數(shù)量級。圖3所示即為鎖定激光頻率前后薄池鑒頻信號的波形變化圖。進(jìn)一步地，還包括腔體；半導(dǎo)體激光器、激光隔離器、半波片、偏振分束棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、銫原子蒸汽泡、半透射半反射鏡、吸光片、第一 BNC線、光電探測 器、白玻璃片、第三全反射鏡、第四全反射鏡、光強(qiáng)衰減片、第一凸透鏡、第二凸透鏡、銫原子蒸汽薄池、第三凸透鏡、鎖相放大器、第二 BNC線、第三BNC線、第四BNC線、單光子探測器、示波器均設(shè)于腔體內(nèi)。工作時(shí)，腔體起到保護(hù)作用。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)受多普勒增寬影響其激光頻率穩(wěn)定度提高受到限制的問題，適用于研究高分辨率分子和原子光譜、激光干涉測量、冷卻和俘獲原子、光纖通信、頻率選擇光學(xué)資料存儲等領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的飽和吸收光譜信號、薄池單光子吸收光譜信號、薄池鑒頻信號的波形對照圖。圖3是本發(fā)明的鎖定激光頻率前后薄池鑒頻信號的波形變化圖。圖中1-半導(dǎo)體激光器,2-激光隔離器,3-半波片,4-偏振分束棱鏡,5-第一全反射鏡，6-第二全反射鏡，7-銫原子蒸汽泡，8-半透射半反射鏡，9-吸光片，10-第一 BNC線，11-光電探測器，12-白玻璃片，13-第三全反射鏡，14-第四全反射鏡，15-光強(qiáng)衰減片，16-第一凸透鏡，17-第二凸透鏡，18-銫原子蒸汽薄池，19-第三凸透鏡，20-鎖相放大器， 21-第二 BNC線，22-第三BNC線，23-第四BNC線，24-單光子探測器，25-示波器，26-腔體。
具體實(shí)施例方式薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置，包括半導(dǎo)體激光器I、偏振分束棱鏡4、吸光片9、光電探測器11、白玻璃片12、鎖相放大器20、單光子探測器24、示波器25;半導(dǎo)體激光器I的出射端與偏振分束棱鏡4的入射端之間設(shè)有由激光隔離器2和半波片3依次串接而成的光路；偏振分束棱鏡4的反射出射端與白玻璃片12的入射端之間設(shè)有第二全反射鏡6 ;白玻璃片12的反射出射端與光電探測器11之間設(shè)有由第一全反射鏡5、銫原子蒸汽泡7、半透射半反射鏡8依次串接而成的光路；半透射半反射鏡8設(shè)于白玻璃片12的透射出射端與吸光片9之間；偏振分束棱鏡4的透射出射端與單光子探測器24之間設(shè)有由第三全反射鏡13、第四全反射鏡14、光強(qiáng)衰減片15、第一凸透鏡16、第二凸透鏡17、銫原子蒸汽薄池18、第三凸透鏡19依次串接而成的光路；光電探測器11與示波器25之間連接有第一BNC線10 ;鎖相放大器20與半導(dǎo)體激光器I之間連接有第二 BNC線21 ;鎖相放大器20與示波器25之間連接有第三BNC線22 ;單光子探測器24與鎖相放大器20之間連接有第四BNC 線 23 ；
還包括腔體26 ;半導(dǎo)體激光器I、激光隔離器2、半波片3、偏振分束棱鏡4、第一全反射鏡5、第二全反射鏡6、銫原子蒸汽泡7、半透射半反射鏡8、吸光片9、第一 BNC線10、光電探測器11、白玻璃片12、第三全反射鏡13、第四全反射鏡14、光強(qiáng)衰減片15、第一凸透鏡16、第二凸透鏡17、銫原子蒸汽薄池18、第三凸透鏡19、鎖相放大器20、第二 BNC線21、第三BNC線22、第四BNC線23、單光子探測器24、示波器25均設(shè)于腔體26內(nèi)。具體實(shí)施時(shí)，所述半導(dǎo)體激光器I為T0PTICA公司生產(chǎn)的TA100型半導(dǎo)體激光器。所述第一全反射鏡5、第二全反射鏡6、第三全反射鏡13、第四全反射鏡14均為鍍850nm高反膜的全反射鏡。所述第一凸透鏡16、第二凸透鏡17、第三凸透鏡19均為鍍850nm增透膜的凸透鏡。所述鎖相放大器20為Stanford SR830型鎖相放大器。所述銫原子蒸汽泡7為長度4cm的玻璃蒸汽泡。所述銫原子蒸汽薄池18為長度150 μ m的石英蒸汽泡。所述光電探測器11為APD S3884型光電探測器。所述單光子探測器24為SPCM-AQRH-15型單光子探測器。
權(quán)利要求
1.一種薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置，其特征在于包括半導(dǎo)體激光器(I)、偏振分束棱鏡(4)、吸光片(9)、光電探測器(11)、白玻璃片(12)、鎖相放大器(20)、單光子探測器(24)、示波器(25);半導(dǎo)體激光器(I)的出射端與偏振分束棱鏡(4)的入射端之間設(shè)有由激光隔離器(2)和半波片(3)依次串接而成的光路；偏振分束棱鏡(4)的反射出射端與白玻璃片(12)的入射端之間設(shè)有第二全反射鏡(6);白玻璃片(12)的反射出射端與光電探測器(11)之間設(shè)有由第一全反射鏡(5)、銫原子蒸汽泡(7)、半透射半反射鏡(8)依次串接而成的光路；半透射半反射鏡(8)設(shè)于白玻璃片(12)的透射出射端與吸光片(9)之間；偏振分束棱鏡(4)的透射出射端與單光子探測器(24)之間設(shè)有由第三全反射鏡(13)、第四全反射鏡(14)、光強(qiáng)衰減片(15)、第一凸透鏡(16)、第二凸透鏡(17)、銫原子蒸汽薄池(18)、第三凸透鏡(19 )依次串接而成的光路；光電探測器(11)與示波器(25 )之間連接有第一 BNC線(10);鎖相放大器(20)與半導(dǎo)體激光器(I)之間連接有第二 BNC線(21);鎖相放大器(20)與示波器(25)之間連接有第三BNC線(22);單光子探測器(24)與鎖相放大器(20)之間連接有第四BNC線(23)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置，其特征在于還包括腔體(26);半導(dǎo)體激光器(I)、激光隔離器(2)、半波片(3)、偏振分束棱鏡(4)、第一全反射鏡(5 )、第二全反射鏡(6 )、銫原子蒸汽泡(7 )、半透射半反射鏡(8 )、吸光片(9 )、第一 BNC線(10)、光電探測器(11)、白玻璃片(12)、第三全反射鏡(13)、第四全反射鏡(14)、光強(qiáng)衰減片(15)、第一凸透鏡(16)、第二凸透鏡(17)、銫原子蒸汽薄池(18)、第三凸透鏡(19)、鎖相放大器(20)、第二 BNC線(21)、第三BNC線(22)、第四BNC線(23)、單光子探測器(24)、示波器(25)均設(shè)于腔體(26)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻技術(shù)，具體是一種薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置。本發(fā)明解決了現(xiàn)有激光穩(wěn)頻技術(shù)受多普勒增寬影響其激光頻率穩(wěn)定度提高受到限制的問題。薄池?zé)o多普勒展寬吸收光譜穩(wěn)頻裝置包括半導(dǎo)體激光器、偏振分束棱鏡、吸光片、光電探測器、白玻璃片、鎖相放大器、單光子探測器、示波器；半導(dǎo)體激光器的出射端與偏振分束棱鏡的入射端之間設(shè)有由激光隔離器和半波片依次串接而成的光路；偏振分束棱鏡的反射出射端與白玻璃片的入射端之間設(shè)有第二全反射鏡。本發(fā)明適用于研究高分辨率分子和原子光譜、激光干涉測量、冷卻和俘獲原子、光纖通信、頻率選擇光學(xué)資料存儲等領(lǐng)域。
文檔編號H01S5/0687GK102664346SQ20121013483
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者張一馳, 李玉清, 武寄洲, 汪麗蓉, 肖連團(tuán), 賈鎖堂, 趙延霆, 金麗, 陳鵬, 馬杰 申請人:山西大學(xué)