本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻，特別是一種基于雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜的激光穩(wěn)頻方法，在無(wú)多普勒吸收光路的基礎(chǔ)上通過(guò)雙色光產(chǎn)生相干布居捕獲cpt效應(yīng)，降低鎖頻點(diǎn)處吸收峰線寬，進(jìn)而提高色散信號(hào)的斜率，提升頻率系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性；圓偏振光光譜信號(hào)吸收峰在地磁場(chǎng)下仍有較大幅值，不需要進(jìn)行額外的磁屏蔽措施，從而簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，為小型化奠定基礎(chǔ)。

背景技術(shù)：

1、激光頻率穩(wěn)定在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有十分重要的意義，人們通常將原子譜線作為激光頻率參考。飽和吸收光譜是較為常見的穩(wěn)頻光譜。通過(guò)泵浦光和檢測(cè)光的反向傳播獲得消除多普勒效應(yīng)的透射尖峰。但飽和吸收光譜中透射峰線寬較大，導(dǎo)致穩(wěn)頻點(diǎn)處色散信號(hào)的斜率變化較小，對(duì)于頻率波動(dòng)的反應(yīng)不夠敏銳。

2、cpt效應(yīng)是一種量子相干效應(yīng)(cpt，coherent?population?trapping，相干布居捕獲)，是通過(guò)雙色激光與堿金屬反應(yīng)獲得攜帶磁場(chǎng)和頻率信息的透射尖峰，其線寬遠(yuǎn)小于飽和吸收光譜對(duì)應(yīng)的線寬。我們?cè)跓o(wú)多普勒吸收光路的基礎(chǔ)上將泵浦光和檢測(cè)光替換為旋向相反的雙色光，利用cpt效應(yīng)獲得線寬較窄的吸收峰，增大鎖頻點(diǎn)處色散信號(hào)的斜率，提升穩(wěn)頻系統(tǒng)對(duì)頻率波動(dòng)的反應(yīng)靈敏度，提高穩(wěn)頻性能。

3、cpt效應(yīng)會(huì)隨著磁場(chǎng)的增加而減弱。然而從能級(jí)的角度分析，相比于線偏振光，圓偏振光可以在磁量子數(shù)mf＝0對(duì)應(yīng)的基態(tài)能級(jí)產(chǎn)生不受磁場(chǎng)影響的cpt效應(yīng)。因此雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜在地磁場(chǎng)下仍然存在線寬較小的吸收峰作為穩(wěn)頻點(diǎn)用于激光穩(wěn)頻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，提出一種基于雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜的激光穩(wěn)頻方法，在無(wú)多普勒吸收光路的基礎(chǔ)上通過(guò)雙色光產(chǎn)生相干布居捕獲cpt效應(yīng)，降低鎖頻點(diǎn)處吸收峰線寬，進(jìn)而提高色散信號(hào)的斜率，提升頻率系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性；圓偏振光光譜信號(hào)吸收峰在地磁場(chǎng)下仍有較大幅值，不需要進(jìn)行額外的磁屏蔽措施，從而簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，為小型化奠定基礎(chǔ)。

2、本發(fā)明技術(shù)解決方案如下：

3、基于雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜的激光穩(wěn)頻方法，其特征在于，包括以下步驟：

4、步驟1，向原子氣室的第一端輸入第一旋向雙色圓偏振光作為泵浦光，所述第一旋向雙色圓偏振光從原子氣室的第二端出射后被改變?yōu)榈诙螂p色圓偏振光作為檢測(cè)光從所述第二端輸入到原子氣室中，第二旋向與第一旋向互為相反旋向，所述第二旋向雙色圓偏振光從所述第一端出射后進(jìn)入光電檢測(cè)系統(tǒng)；

5、步驟2，進(jìn)行激光頻率掃描，使得不同頻率的第二旋向雙色圓偏振光在所述光電檢測(cè)系統(tǒng)中形成雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜；

6、步驟3，在所述雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜中確定鎖頻點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)所述雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜進(jìn)行解調(diào)，獲得所述鎖頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的色散信號(hào)；

7、步驟4，關(guān)閉激光頻率掃描，將色散信號(hào)作為誤差信號(hào)輸入至pid控制模塊，通過(guò)pid輸出信號(hào)控制激光頻率變化，實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)頻。

8、所述原子氣室的第一端通過(guò)消偏振分光棱鏡分別連接光電探測(cè)器和第一1/4波片，所述第一1/4波片通過(guò)光隔離器連接激光準(zhǔn)直器，所述激光準(zhǔn)直器通過(guò)第二保偏光纖連接電光調(diào)制器，所述電光調(diào)制器分別連接射頻信號(hào)發(fā)生器和第一保偏光纖，所述第一保偏光纖通過(guò)可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器連接激光控制器，所述激光控制器通過(guò)比例積分微分控制器連接鎖相放大器的輸出端，所述鎖相放大器的第一輸入端連接所述光電探測(cè)器，所述鎖相放大器的第二輸入端連接正弦波信號(hào)發(fā)生器，所述正弦波信號(hào)發(fā)生器連接加法器的第一輸入端，加法器的第二輸入端連接三角波信號(hào)發(fā)生器，加法器的輸出端連接所述激光控制器，所述原子氣室的第二端通過(guò)第二1/4波片連接反射鏡。

9、步驟1中包括：利用激光器和電光調(diào)制器產(chǎn)生頻率滿足87rb原子d1線且滿足兩基態(tài)超精細(xì)能級(jí)頻率差6.834ghz的雙色圓偏振光，所述d1線波長(zhǎng)795nm，將可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器出射的795nm單色線偏振光通過(guò)受頻率大小為3.417ghz射頻信號(hào)控制的電光調(diào)制器使其調(diào)制成頻率符合377thz±3.417ghz雙色線偏振光，377thz對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)795nm，再由1/4波片將雙色線偏振光轉(zhuǎn)化為雙色圓偏振光。

10、步驟2中包括：打開三角波信號(hào)發(fā)生器，將三角波信號(hào)輸入至激光控制器，使激光器頻率在一定范圍內(nèi)掃描，通過(guò)示波器觀察到利用相干布居捕獲cpt效應(yīng)產(chǎn)生的雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜。

11、步驟3中包括：在雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜中找到幅值大和線寬小的吸收峰頂點(diǎn)作為穩(wěn)頻點(diǎn)，選擇87rbd1線雙色無(wú)多普勒吸收光譜中基態(tài)能級(jí)fg＝1和fg＝2躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí)fe＝2對(duì)應(yīng)的吸收峰，2個(gè)基態(tài)能級(jí)和1個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)所構(gòu)成的cpt三能級(jí)系統(tǒng)不受磁場(chǎng)影響，當(dāng)泵浦光與檢測(cè)光為雙色圓偏振光反向傳播時(shí)，因兩者旋向相反而發(fā)生干涉相長(zhǎng)，cpt吸收峰幅值達(dá)到最大，作為鎖頻點(diǎn)時(shí)色散信號(hào)斜率最大，因此在地磁場(chǎng)環(huán)境下，雙色圓偏振光多普勒吸收光譜仍然具有能夠用于激光穩(wěn)頻的幅值較大的吸收峰，穩(wěn)頻點(diǎn)確定后，調(diào)節(jié)激光器中心頻率使鎖頻點(diǎn)在周期信號(hào)的中心。

12、步驟4中包括：打開正弦波信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)加法器在三角波掃描信號(hào)上疊加正弦信號(hào)后輸出至激光控制器以對(duì)雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜進(jìn)行調(diào)制，從而獲得調(diào)制后的雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜，同時(shí)將正弦波信號(hào)作為參考信號(hào)輸入至鎖相放大器，通過(guò)鎖相放大器解調(diào)將無(wú)多普勒吸收光譜信號(hào)轉(zhuǎn)化為色散信號(hào)，色散信號(hào)中的零點(diǎn)頻率對(duì)應(yīng)鎖頻點(diǎn)頻率，在獲得色散信號(hào)后，調(diào)節(jié)參考信號(hào)的幅值和頻率使鎖頻點(diǎn)處的無(wú)多普勒吸收光譜信號(hào)和色散信號(hào)都清晰可見。

13、步驟4中包括以下公式：

14、

15、其中u(t)是pid輸出信號(hào)，e(t)和e(τ)均是pid輸入信號(hào)即作為誤差信號(hào)的色散信號(hào)，kp為比例增益，ki為積分增益，kd為微分增益，t和τ均是時(shí)間。

16、本發(fā)明的技術(shù)效果如下：本發(fā)明一種基于雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜的激光穩(wěn)頻方法，使用雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜作為誤差信號(hào)實(shí)現(xiàn)地磁場(chǎng)下激光頻率在87rbd1線的頻率鎖定。為保證激光穩(wěn)頻的可行性，從能級(jí)的角度理論分析了雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜的優(yōu)勢(shì)。由可調(diào)諧外腔半導(dǎo)體激光器(external-cavity?diode?laser，ecdl)產(chǎn)生的波長(zhǎng)在795nm左右(對(duì)應(yīng)87rbd1線原子躍遷頻率)的單色線偏振激光，由3.417ghz射頻信號(hào)控制的電光調(diào)制器(electro-optic?modulator，eom)將795nm單色光線偏振光變?yōu)轭l率符合377thz(對(duì)應(yīng)795nm)±3.417ghz的雙色線偏振光，通過(guò)1/4波片(quarter-wave?plate，qwp)將雙色線偏振光轉(zhuǎn)化為雙色圓偏振光。雙色圓偏振光作為泵浦光入射氣室，穿過(guò)氣室后通過(guò)1/4波片變?yōu)殡p色線偏振光，線偏振光被反射鏡反射后再次通過(guò)1/4波片變?yōu)榕c泵浦光旋向相反的雙色圓偏振光。將旋向相反的雙色圓偏振光作為檢測(cè)光再次輸入氣室，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器接收光信號(hào)獲得雙色圓偏振光無(wú)多普勒吸收光譜。輸入三角波信號(hào)至激光控制器，使激光頻率進(jìn)行掃描，獲得87rbd1線的雙色圓偏振光無(wú)多普勒光譜。調(diào)節(jié)激光器中心頻率使鎖頻點(diǎn)位于掃描信號(hào)中心。輸出正弦波信號(hào)至激光控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器電流的調(diào)制。將正弦波信號(hào)作為參考信號(hào)輸入至鎖相放大器，利用鎖相放大器解調(diào)獲得與光譜信號(hào)對(duì)應(yīng)的色散信號(hào)，調(diào)節(jié)正弦波信號(hào)的頻率和幅值使光譜信號(hào)和色散信號(hào)都清晰可見。關(guān)閉三角波信號(hào)輸入，使激光頻率保持在鎖頻點(diǎn)處。將色散信號(hào)作為誤差信號(hào)輸入比例積分微分(pid)模塊，pid模塊輸出信號(hào)至激光器控制系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光頻率大小。當(dāng)激光頻率發(fā)生偏移時(shí)，激光控制器接收誤差信號(hào)調(diào)節(jié)激光器電流和諧振腔壓電陶瓷電壓使激光頻率再次回到穩(wěn)頻點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)87rbd1線的頻率鎖定。本方法在無(wú)多普勒吸收光路的基礎(chǔ)上通過(guò)雙色光產(chǎn)生相干布居捕獲(cpt)效應(yīng)，降低鎖頻點(diǎn)處吸收峰線寬，進(jìn)而提高色散信號(hào)的斜率，提升頻率系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性；圓偏振光光譜信號(hào)吸收峰在地磁場(chǎng)下仍有較大幅值，不需要進(jìn)行額外的磁屏蔽措施，從而簡(jiǎn)化了光路結(jié)構(gòu)，為小型化奠定基礎(chǔ)。該技術(shù)可以用于cpt磁強(qiáng)計(jì)，cpt原子鐘等領(lǐng)域，有較強(qiáng)的適用性與較高的實(shí)用價(jià)值。