量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)及激光功率測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，包括：功率待測激光器，能將待測激光的頻率鎖定；量子頻率標(biāo)準(zhǔn)，由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過±100nm的原子、分子或離子構(gòu)建；所述功率待測激光器能夠?qū)⒋郎y激光器發(fā)出的待測激光引入量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。還提供了一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法，其步驟包括：1）將功率待測激光器發(fā)出的待測激光的頻率鎖定；2）將頻率鎖定的功率待測激光器發(fā)出的部分待測激光引入到量子頻率標(biāo)準(zhǔn)；3）利用量子頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的光頻移，測量出待測激光的平均光強(qiáng)，通過標(biāo)定得到待測激光功率。本發(fā)明通過精密測量光頻移，通過確定理論關(guān)系，測量出待測激光光強(qiáng)，并得到相應(yīng)的激光功率，其相對準(zhǔn)確度可以優(yōu)于10-7量級。
【專利說明】量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)及激光功率測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光與量子頻率標(biāo)準(zhǔn)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種利用原子頻率標(biāo)準(zhǔn)測量在激光作用下產(chǎn)生的原子光頻移來精密測量激光功率的計(jì)量儀器及激光功率測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的光功率計(jì)和激光功率計(jì)基本都是基于光電二極管這種光電轉(zhuǎn)換器件來實(shí)現(xiàn)對光功率的測量和標(biāo)定。包括目前國際基本單位中光源的發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉的定義，也是依靠光電轉(zhuǎn)換器件測量光功率來實(shí)現(xiàn)，其測量的不確定度目前只有10_4量級。
[0003]另一方面，在量子頻率標(biāo)準(zhǔn)(能利用量子躍遷頻率產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率信號用來進(jìn)行頻率和時(shí)間測量的計(jì)量裝置)，即原子鐘方面，頻率值的測量穩(wěn)定度和不確定度已經(jīng)到了 10_18量級。在量子頻率標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)里，原子鐘的躍遷頻率受到外界光輻射時(shí)會產(chǎn)生頻率移動，被稱為光頻移。這種光頻移與外界所加激光光強(qiáng)具有確定關(guān)系。
[0004]原子與相應(yīng)波長的電磁波相互作用產(chǎn)生的譜線中心頻率vO，決定于原子量子躍遷的上、下兩能級的能量差Em — En=hvO，在此，h是普朗克常數(shù)。因?yàn)樵拥膬?nèi)部狀態(tài)不易受外界環(huán)境因素干擾，所以其躍遷頻率具有高度穩(wěn)定性，用于實(shí)現(xiàn)量子頻率標(biāo)準(zhǔn)，即原子鐘。
[0005]量子頻率標(biāo)準(zhǔn)基本可分為被動型和主動型兩種。
[0006]①被動型量子頻率標(biāo)準(zhǔn):依靠外加電磁波激勵使原子產(chǎn)生能級躍遷譜線來鎖定的量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。按這種被動型方式工作的典型頻標(biāo)有銫原子束頻標(biāo)，光抽運(yùn)銣氣泡頻標(biāo)等。
[0007]②主動型量子頻率標(biāo)準(zhǔn):直接由被泵浦到激發(fā)態(tài)形成粒子布居數(shù)反轉(zhuǎn)的原子系統(tǒng)在諧振腔的反饋下產(chǎn)生的受激發(fā)射的振蕩信號為標(biāo)準(zhǔn)頻率源。被稱為主動氫鐘的氫原子激射振蕩器頻標(biāo)是這類的典型。
[0008]激光頻率梳問世以后，已經(jīng)出現(xiàn)了多種利用鈣、鍶、汞等原子及離子的可見光波段的吸收譜線來穩(wěn)定激光頻率的方法，即近年來迅速發(fā)展起來的光鐘，最好的光鐘頻率值的測量穩(wěn)定度和不確定度已經(jīng)到了 10_18量級。
[0009]量子頻標(biāo)或原子鐘的主要性能指標(biāo)是頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。頻率穩(wěn)定度指在一定的取樣時(shí)間內(nèi)，每次取樣時(shí)間內(nèi)的平均頻率之間的相對數(shù)值變化程度，可分為短期(取樣時(shí)間一天以下)和長期(取樣時(shí)間一天以上)穩(wěn)定度。頻率準(zhǔn)確度有稱為不確定度，指輸出頻率偏離標(biāo)稱頻率的程度，也用相對偏差表示。參考書目:P.Kartaschoff, Frequency andTime, Academc Press, New York, London, San Francisco, 1978 ;王義道等著:《量子頻標(biāo)原理》，科學(xué)出版社，北京，1985 ;劉金銘、翟造成編:《現(xiàn)代計(jì)時(shí)學(xué)概論》，上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，上海，1980。)
[0010]但是，目前已有文獻(xiàn)資料中從來沒有關(guān)于利用量子頻率標(biāo)準(zhǔn)提高和實(shí)現(xiàn)激光功率計(jì)的測量精度的記載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為解決現(xiàn)有激光功率計(jì)測量不確定度低的問題，本發(fā)明的目的在于利用原子鐘的超高精度頻率測量優(yōu)越性，提供一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)及激光功率測量方法。通過精密測量與外界所加激光光強(qiáng)具有確定關(guān)系的光頻移，從而測量出所加激光光強(qiáng)，并得到相應(yīng)的激光功率，實(shí)現(xiàn)一種量子激光功率計(jì)，其相對準(zhǔn)確度可以優(yōu)于10_7量級。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0013]一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其包括:
[0014]一功率待測激光器，用以將待測激光的頻率鎖定；
[0015]一量子頻率標(biāo)準(zhǔn)，由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過± IOOnm的原子、分子或離子構(gòu)建；
[0016]所述功率待測激光器將待測激光器發(fā)出的待測激光引入量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
[0017]進(jìn)一步地,所述量子頻率標(biāo)準(zhǔn)為主動型或被動型。
[0018]進(jìn)一步地，所述量子頻率標(biāo)準(zhǔn)為一微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其包括一銣87無極燈，一銣85濾光泡，一磁屏蔽罩，一銣87鐘泡，一濾光片，一探測器，一伺服電路，一射頻發(fā)生器及一輸出顯示器。
[0019]進(jìn)一步地，所述濾光片用以濾除待測激光。
[0020]進(jìn)一步地，所述功率待測激光器為一功率待測795nm激光器，包括一銣85汽泡，一銣85飽和譜探測器，一飽和譜鎖頻電路及若干分光鏡和反射鏡。
[0021]進(jìn)一步地，所述功率待測激光器還可以選自功率待測780nm激光器、功率待測42 Inm激光器或功率待測420nm激光器。
[0022]進(jìn)一步地，所述量子頻率標(biāo)準(zhǔn)還可以由其他能級之間量子躍遷波長與待測激光波長接近的原子、分子或離子構(gòu)建；如銫原子852nm波長、鍶原子461nm波長、堿土金屬鈣423nm你喔長、碘分子532nm波長、鈣離子7229nm波長等。
[0023]本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用前述量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的激光功率測量方法，其步驟包括:
[0024]I)將功率待測激光器發(fā)出的待測激光的頻率鎖定；
[0025]2)將頻率鎖定的功率待測激光器發(fā)出的部分待測激光引入到量子頻率標(biāo)準(zhǔn)；
[0026]3)利用量子頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的光頻移，測量出待測激光的平均光強(qiáng)，通過標(biāo)定得到待測激光功率。
[0027]本發(fā)明利用了原子鐘的超高精度頻率測量準(zhǔn)確性，通過精密測量原子鐘受外界所加激光光強(qiáng)引起的光頻移，通過確定理論關(guān)系，從而測量出待測激光光強(qiáng)，并得到相應(yīng)的激光功率，實(shí)現(xiàn)一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其相對準(zhǔn)確度可以優(yōu)于10_7量級。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:第一，把光功率的測量按原子譜線的光頻移理論轉(zhuǎn)換為目前國際上準(zhǔn)確度最好的頻率測量，極大地提高了光強(qiáng)測量的靈敏度，還可以通過各種標(biāo)定技術(shù)得到光功率，實(shí)現(xiàn)光功率的量子測量和標(biāo)準(zhǔn)；第二，目前原子鐘的頻率穩(wěn)定度已經(jīng)到了10_18量級，將待測功率的激光所引起的光頻移鎖定在另一個(gè)高性能原子鐘上，就可以實(shí)現(xiàn)對激光功率10_7量級甚至更好的功率穩(wěn)定度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1，本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:1_銣87無極燈；2_銣85濾光泡2 ;3_分光鏡；4_銣87鐘泡；5_濾光片；6-探測器；7-伺服電路；8-射頻微波發(fā)生器；9_輸出顯示器；10_磁屏蔽罩；11_功率待測795nm激光器；12_飽和譜鎖頻電路；13_銣85汽泡；14_銣85飽和譜探測器；31_分光鏡；32-分光鏡；33_反射鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說明如下。
[0032]圖1為本發(fā)明一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。該量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)包括:一微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其包括銣87無極燈1，銣85濾光泡2，磁屏蔽罩10，銣87鐘泡4，濾光片5，探測器6，伺服電路7，射頻微波發(fā)生器8，輸出顯示器9。一功率待測795nm激光器11，其包括銣85汽泡13，銣85飽和譜探測器14，飽和譜鎖頻電路12，分光鏡32、31、3，和反射鏡33。
[0033]在量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)中的一個(gè)微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，其銣87無極燈I所發(fā)射的熒光，通過銣85濾光泡2濾光后，進(jìn)入到磁屏蔽罩10中的銣87鐘泡4上與銣原子相互作用，出來后經(jīng)過濾光片5進(jìn)入探測器6上產(chǎn)生電信號，濾光片5能夠?yàn)V除待測激光，從未不影響微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的正常工作。探測器6上產(chǎn)生電信號經(jīng)過伺服電路7來控制射頻微波發(fā)生器8產(chǎn)生的與原子泡4中原子相互作用的頻率，將射頻微波發(fā)生器8產(chǎn)生的射頻微波頻率鎖定在原子泡4中原子的基態(tài)能級之間的微波頻率上，同時(shí)在頻率輸出顯示器9上顯示出給用戶的原子鐘標(biāo)準(zhǔn)頻率。功率待測795nm的激光器11通過銣85汽泡13得到銣85飽和譜并在探測器14上得到誤差信號，此誤差信號經(jīng)過飽和譜鎖頻電路12反饋給795nm的激光器11將其頻率鎖定在銣85的原子譜線上，具體地，利用銣85汽泡所產(chǎn)生的飽和譜，將功率待測激光器頻率鎖定在銣85的基態(tài)5S (F=2)到5P1/2 (F’ =2)譜線上；光路上的分光鏡32、31、3，和反射鏡33分別用于795nm的激光光束的分光和反射。通過前述分光鏡32、31、3和反射鏡33的引導(dǎo)，待測激光能夠引入銣87鐘泡。
[0034]當(dāng)功率待測795nm的激光器輸出的激光沒有進(jìn)入銣87鐘泡4時(shí)，輸出顯示器9輸出的原子鐘標(biāo)準(zhǔn)頻率對應(yīng)著零激光功率。一旦待測795nm的激光器輸出的激光有一定功率進(jìn)入銣87鐘泡4，輸出顯示器9輸出的原子鐘標(biāo)準(zhǔn)頻率將顯示出偏離原子鐘標(biāo)準(zhǔn)頻率的光頻移，這個(gè)顯示的光頻移值對應(yīng)著待測795nm激光的激光功率。這樣就利用了原子鐘的超高精度頻率測量準(zhǔn)確性，準(zhǔn)確測量到795nm激光光強(qiáng)引起的光頻移，通過已有確定理論關(guān)系計(jì)算，從而測量出待測795nm激光光強(qiáng)，由光束空間分布得到相應(yīng)的激光功率，實(shí)現(xiàn)一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其相對準(zhǔn)確度可以優(yōu)于10_7量級。
[0035]上述微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)通過輸出顯示器9顯示待測激光引起的光頻移的頻率變化相對值，并可以通過標(biāo)定，直接輸出待測確定頻率的待測激光功率值。
[0036]上述待測795nm激光器11帶有其自已的電流、溫度、壓電掃描控制電路，用于激光穩(wěn)頻等，所用的激光電流、溫度控制、穩(wěn)頻電路均為本領(lǐng)域公知技術(shù)，因此不再贅述。
[0037]必須注意，上述的本發(fā)明最主要的特點(diǎn)和優(yōu)越性能把光功率的測量按原子譜線的已知明確光頻移理論關(guān)系轉(zhuǎn)換為目前國際上準(zhǔn)確度最好的頻率測量技術(shù)可以測量的量，提高了光強(qiáng)測量的靈敏度，并可以通過已有光度計(jì)相關(guān)的各種標(biāo)定技術(shù)得到光功率，實(shí)現(xiàn)光功率的量子測量和標(biāo)準(zhǔn)。此外，目前原子鐘的頻率穩(wěn)定度已經(jīng)到了 10_18量級，將待測功率的激光所引起的光頻移鎖定在另一個(gè)高性能原子鐘上，還可以可以實(shí)現(xiàn)對激光功率10_7量級甚至更好的功率穩(wěn)定。
[0038]上述實(shí)施例僅是為了說明本發(fā)明的工作原理，而非用于限制本發(fā)明的范圍。具體地，本發(fā)明適用銣原子、銫原子等堿金屬原子等對應(yīng)的基態(tài)與第一、第二激發(fā)態(tài)之間的躍遷能級來實(shí)現(xiàn)量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，也適用于堿土金屬鈣、鍶原子，氣體原子氦、氖等以及具有與待測激光波長接近的分子離子來實(shí)現(xiàn)。例如，使用銫原子構(gòu)建相應(yīng)的量子頻率標(biāo)準(zhǔn)能夠可以測量具有波長為455nm、459nm、852nm及894nm的待測激光，利用氦原子可以測量與原子躍遷譜線1083nm接近的1064nm等波長激光的功率，其量子頻率標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)及構(gòu)建方式，與構(gòu)建量子頻率標(biāo)準(zhǔn)的原子、分子或離子具有的能級之間量子躍遷波長接近(即相差不超過± IOOnm)的相應(yīng)待測激光波長等數(shù)據(jù)，均為已經(jīng)公知的現(xiàn)有技術(shù)，為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，因此不再贅述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或同等替換，并不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神與范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍已權(quán)利要求書所限定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，包括: 一功率待測激光器，用以將待測激光的頻率鎖定； 一量子頻率標(biāo)準(zhǔn)，由能級之間量子躍遷波長與待測激光波長相差不超過± IOOnm的原子、分子或離子構(gòu)建； 所述功率待測激光器將待測激光器發(fā)出的待測激光引入量子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，所述量子頻率標(biāo)準(zhǔn)為主動型或被動型。
3.如權(quán)利要求1所述的量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，所述量子頻率標(biāo)準(zhǔn)為一微波段量子銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，包括一銣87無極燈，一銣85濾光泡，一磁屏蔽罩，一銣87鐘泡，一濾光片，一探測器，一伺服電路，一射頻發(fā)生器及一輸出顯不器。
4.如權(quán)利要求3所述的量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，所述濾光片用以濾除待測激光。
5.如權(quán)利要求3或4所述的量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，所述功率待測激光器為一功率待測795nm激光器，包括一銣85汽泡，一銣85飽和譜探測器，一飽和譜鎖頻電路及若干分光鏡和反射鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)，其特征在于，所述功率待測激光器選自功率待測780nm激光器、功率待測421nm激光器或功率待測420nm激光器中的一種。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述量子標(biāo)準(zhǔn)激光功率計(jì)的激光功率測量方法，其步驟包括: 1)將功率待測激光器發(fā)出的待測激光的頻率鎖定； 2)將頻率鎖定的功率待測激光器發(fā)出的部分待測激光引入到量子頻率標(biāo)準(zhǔn)； 3)利用量子頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的光頻移，測量出待測激光的平均光強(qiáng)，通過標(biāo)定得到待測激光功率。
【文檔編號】G01J1/00GK103954354SQ201410133452
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】郭弘, 彭翔, 陳景標(biāo) 申請人:北京大學(xué)