專利名稱：飽和吸收鑒頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種飽和吸收鑒頻裝置，用于半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻，屬于非線性激光 光譜技術(shù)、精密激光光譜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，利用飽和吸收效應(yīng)穩(wěn)定激光器頻率在冷原子物理實(shí)驗(yàn)室非常普遍。利用 飽和吸收效應(yīng)可以獲得不受多普勒效應(yīng)加寬的原子或分子吸收譜線，例如一些超精 細(xì)結(jié)構(gòu)譜線。譜線線寬很窄，可以達(dá)到自然線寬(MHz)的量級(jí)。這些譜線可以提 供一種穩(wěn)定的外界參考頻率，使激光器頻率穩(wěn)定到lMHz或以下。
飽和吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng)。強(qiáng)激光(相對(duì)于吸收介質(zhì)的飽和光強(qiáng)而言) 入射到吸收介質(zhì)上時(shí)，介質(zhì)的吸收系數(shù)會(huì)隨光強(qiáng)的變大而減小，出現(xiàn)飽和。當(dāng)激光
頻率掃動(dòng)時(shí)，由于存在多普勒效應(yīng)，激光只被滿足COe-kvfCOo的原子或分子所吸收。 式中O)e是激光頻率，Vz是原子或分子熱運(yùn)動(dòng)速度在激光入射方向上的分量(假定
激光沿z軸入射)，coo是原子或分子能級(jí)躍遷中心頻率。吸收介質(zhì)中vz=0的原子或
分子幾率分布最大，因此COf(O()處比其他頻率處吸收程度更大，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度
更大，吸收譜線在此處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷。此時(shí)用一束弱光探測(cè)(一般是對(duì)射)，透射
光會(huì)在O)c=(O0位置出現(xiàn)一個(gè)尖峰。
通常吸收介質(zhì)是一個(gè)充有低氣壓的原子(或分子)吸收池(cell),吸收譜線的
碰撞加寬和壓力位移可以忽略不計(jì)，吸收池內(nèi)也沒有放電作用，這樣飽和吸收譜線 的位置非常穩(wěn)定，寬度很窄，作為半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻外界參考頻率非常合適。
一般會(huì)在飽和吸收基礎(chǔ)上加入第三束光，稱作參考光，與探測(cè)光平行入射到吸 收池內(nèi)，光強(qiáng)相同，但是與泵浦光在吸收池內(nèi)沒有交叉。加入?yún)⒖脊獾哪康氖侨サ?探測(cè)光信號(hào)上的多普勒背景，使得飽和吸收信號(hào)更加明顯，便于后續(xù)的信號(hào)處理。
飽和吸收效應(yīng)也可以和塞曼效應(yīng)結(jié)合在一起。塞曼效應(yīng)是原子的光譜線在外磁 場(chǎng)中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象。外磁場(chǎng)使得原子能級(jí)出現(xiàn)分裂，能級(jí)分裂表現(xiàn)為原子的光譜 線分裂，裂距與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。在飽和吸收結(jié)構(gòu)中吸收池上繞一組線圈，通入電 流，根據(jù)電流的不同工作方式，可以實(shí)現(xiàn)塞曼鑒頻或移頻。若對(duì)電流進(jìn)行調(diào)制(通 常是三角波)，原子能級(jí)躍遷中心頻率會(huì)隨之變化(相當(dāng)于飽和吸收中對(duì)激光器電流 進(jìn)行調(diào)制引起的激光頻率變化)，探測(cè)器在電流零點(diǎn)處會(huì)得到一個(gè)峰值信號(hào)，代表沒有外磁場(chǎng)時(shí)原子能級(jí)躍遷中心頻率位置。若電流保持不變，那么原子能級(jí)躍遷中心 頻率發(fā)生一個(gè)固定的頻移，頻移大小與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)有關(guān)。
通常的飽和吸收光路由一塊A72波片,一塊偏振分束棱鏡(簡(jiǎn)稱PBS)， 一個(gè)飽和 吸收池(cell), —塊石英玻璃板，兩塊反射鏡， 一個(gè)光電探測(cè)器(對(duì)管結(jié)構(gòu))構(gòu)成。 如圖1所示。激光器1出來(lái)的光經(jīng)過(guò)X/2波片2在偏振分束棱鏡3上分成兩束，反 射光經(jīng)過(guò)石英玻璃板4在前后表面形成兩束反射光，其光強(qiáng)大致相同，其中一束用 作探測(cè)光，另一束則是參考光。石英玻璃板4的透射光經(jīng)過(guò)兩次反射(反射鏡5和 7)后入射到吸收池內(nèi)，與探測(cè)光在池內(nèi)交叉。探測(cè)光和參考光最后被光電探測(cè)器7 所接收。光電探測(cè)器7為對(duì)管結(jié)構(gòu)，有兩個(gè)光電二極管，其正負(fù)極反接，將探測(cè)光 信號(hào)和參考光信號(hào)相減后放大。
由于此種飽和吸收光路各光學(xué)元件不在同一條光軸上，而且需要調(diào)節(jié)使得泵浦 光與探測(cè)光入射角度接近180度，在吸收池內(nèi)的交叉區(qū)域大，否則飽和吸收信號(hào)會(huì) 較差。當(dāng)激光功率較弱，或者光譜在人眼可見范圍邊緣時(shí)還需要借助其他輔助觀察 或探測(cè)裝置來(lái)調(diào)節(jié)光路。對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)起來(lái)有一定難度。從光路穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)， 泵浦光光路上需要兩塊反射鏡，不利于光路穩(wěn)定。如果想利用塞曼效應(yīng)移頻或鑒頻， 需要在吸收池上加入一組線圈，這樣會(huì)使吸收池占用空間變大，有可能擋住泵浦光 或者需要重新調(diào)節(jié)光路，飽和吸收信號(hào)可能變差。另外此種光路所占體積也較大， 不利于壓縮光路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種飽和吸收鑒頻裝置，本 裝置的光路簡(jiǎn)化，占用空間小，使用方便，也容易實(shí)現(xiàn)塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻，不會(huì) 出現(xiàn)擋光。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種飽和吸收鑒頻裝置，特征在于其構(gòu)成是，沿激光束輸入方向同光軸地依次 是X/2波片、偏振分束棱鏡、A74波片、飽和吸收池、楔形石英玻璃板，所述的楔形 石英玻璃板的前表面垂直于所述的激光束，所述的入射光束經(jīng)所述的楔形石英玻璃 板的前表面和后表面反射分別形成探測(cè)光束和參考光束，在所述的偏振分束棱鏡的 探測(cè)光束的反射方向設(shè)置光電探測(cè)器，所述的探測(cè)光束和參考光束由所述的光電探 測(cè)器接收。
所述的飽和吸收池上繞一組線圈，工作時(shí)保持該線圈電流恒定。 所述的楔形石英玻璃板的楔角為3 5度。
在所述的波片之前同光軸地設(shè)置第一小孔光闌，在所述的楔形石英玻璃板之后同光軸地設(shè)置第二小孔光闌和激光二極管。 本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明在PBS和吸收池之間插入了一塊入/4波片， 一方面讓參考光和探測(cè)光可 以經(jīng)PBS反射到光電探測(cè)器上，旋轉(zhuǎn)入/4波片能改變其反射光強(qiáng)；另一方面可以形 成o+， o.圓偏振光，這樣就能實(shí)現(xiàn)塞曼效應(yīng)鑒頻，只需在吸收池上繞一組線圈，對(duì) 線圈的電流進(jìn)行調(diào)制。如果保持線圈電流恒定，就可以移頻。
本發(fā)明在主體光路前后加入了兩個(gè)小孔光闌，并利用一個(gè)激光二極管，讓使用 者很容易地將整個(gè)裝置加入到現(xiàn)有光路。
本發(fā)明中光學(xué)元件少，主要光學(xué)元件同軸，裝置占用空間小，搭建和調(diào)節(jié)都很 容易，也容易實(shí)現(xiàn)塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻。這些優(yōu)點(diǎn)使得此種飽和吸收裝置容易小型 化，模塊化，實(shí)用化。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。 圖1是現(xiàn)有的飽和吸收原理基本光路。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1用于飽和吸收鑒頻的光路原理圖，虛線中的部分是發(fā)明 裝置。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例2用于塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻的光路原理圖(吸收池帶線圈)， 虛線中的部分是發(fā)明裝置。
圖4是光電探測(cè)器典型放大電路原理圖。
圖中i一半導(dǎo)體激光器，2一a/2波片，3 —偏振分束棱鏡，4一石英玻璃板，5 _45°反射鏡，6 —吸收池，7—45°反射鏡，8—對(duì)管結(jié)構(gòu)光電探測(cè)器，9一人/4波 片，IO—楔形石英玻璃板，ll一第一小孔光闌，12—第二小孔光闌，13—激光二 極管，14一吸收池的線圈，15_電流源，16_光電二極管(S2386-18L)， 17 —光電 二極管(S2386-18L)， 18—電阻(500K)， 19—電阻(1M)， 20—電阻(2M)， 21 一電容(5nF)， 22 —開關(guān)，23—集成運(yùn)放(LF356)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的變化 范圍。
例如銣(Rb)原子磁光阱再抽運(yùn)光(repump光)頻率應(yīng)穩(wěn)定到87Rb超精細(xì)結(jié) 構(gòu)Fl—F2躍遷頻率處。通常需要搭一個(gè)飽和吸收光路獲得一個(gè)鑒頻信號(hào)。
請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明實(shí)施例1用于飽和吸收鑒頻的光路原理圖，虛線中的部分是發(fā)明裝置。由圖可見，本發(fā)明飽和吸收鑒頻裝置的構(gòu)成是，沿激光束輸入方 向依次是V2波片2、偏振分束棱鏡3、 X/4波片9、飽和吸收池6、楔形石英玻璃板 10，所述的楔形石英玻璃板10的前表面垂直于所述的激光束，所述的入射光束經(jīng)所 述的楔形石英玻璃板10的前表面和后表面反射分別形成探測(cè)光束和參考光束，在所 述的偏振分束棱鏡3的探測(cè)光束的反射方向設(shè)置光電探測(cè)器8，所述的探測(cè)光束和 參考光束由所述的光電探測(cè)器8接收，在所述的波片2之前同光軸地設(shè)置第一 小孔光闌11，在所述的楔形石英玻璃板10之后同光軸地設(shè)置第二小孔光闌12和激 光二極管13。
圖2中半導(dǎo)體激光器1發(fā)射出來(lái)的激光首先經(jīng)過(guò)一個(gè)波片2，接著入射到偏 振分束棱鏡3上。經(jīng)過(guò)偏振分束棱鏡3后，激光會(huì)分成透射光和反射光(反射光圖 中未畫出)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)A72波片2，可以改變偏振分束棱鏡3的透射光的強(qiáng)弱。經(jīng)過(guò) 偏振分束棱鏡3的透射光是線偏振的(P波)，放在偏振分束棱鏡3和吸收池5之間 的波片9,可使經(jīng)過(guò)楔形石英玻璃板11反射回來(lái)的光通過(guò)偏振分束棱鏡3反射 到光電探測(cè)器8上。經(jīng)過(guò)吸收池6后入射到楔形石英玻璃板10的光會(huì)被楔形玻璃板 10的前后表面反射成兩束光，強(qiáng)度基本相同。所述的光電探測(cè)器8典型放大電路如 圖4所示，第一光電二極管16和第二光電二極管17是反接的，探測(cè)光和參考光分 別入射到兩個(gè)管子上時(shí)，光電流先做減法，然后由開關(guān)22控制，流經(jīng)集成運(yùn)放23 上的反饋電阻18或19或20，在輸出端獲得一個(gè)放大的電壓信號(hào)。此電壓信號(hào)就是 鑒頻信號(hào)。所述的反饋電阻阻值代表放大倍率，只能單個(gè)導(dǎo)通。
本發(fā)明裝置搭建和調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單，方便。
本發(fā)明裝置的各元件安裝在一塊平板上。在調(diào)校中，需要注意的是吸收池6的 入射表面與光路要有一個(gè)夾角，使得反射光不會(huì)干擾到探測(cè)光和參考光。X/4波片9 應(yīng)旋轉(zhuǎn)到使偏振分束棱鏡3反射光最強(qiáng)位置，這樣才能保證進(jìn)入到吸收池6中的光 是圓偏振，這對(duì)利用此裝置進(jìn)行塞曼鑒頻時(shí)非常重要。至于調(diào)節(jié)楔形石英玻璃板10 的入射面和光路垂直，可以在V2波片2處放置一個(gè)分光棱鏡(BS)，調(diào)節(jié)楔形石英 玻璃板10，使得楔形石英玻璃板10的前表面的反射光和激光器被BS的反射光在很 遠(yuǎn)處重合。主要光學(xué)元件調(diào)校完畢之后，在本發(fā)明裝置的兩端放置第一小孔光闌11 和第二小孔光闌12,使光束剛好能通過(guò)小孔。調(diào)節(jié)激光二極管13 (此種激光二極管 在市面上非常常見，對(duì)功率和模式都沒有要求)，使激光二極管13的出射光能通過(guò) 第一小孔光闌11和第二小孔光闌12。第一小孔光闌11、第二小孔光闌12和激光二 極管13會(huì)極大方便使用者將本發(fā)明整個(gè)裝置加入到鮮有光路中。
對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，有了本發(fā)明裝置之后，可通過(guò)下述方法將本發(fā)明裝置添加到現(xiàn)有的光路中。首先打開激光二極管13，使其出射光通過(guò)第一小孔光闌11和第二小 孔光闌12，從裝置中透射出來(lái)。之后，根據(jù)使用者的激光器和本發(fā)明裝置的位置在 二者之間放置兩塊反射鏡(圖2中未畫出)，使得使用者激光器分出來(lái)的光大致進(jìn)入 裝置光路。最后，通過(guò)調(diào)節(jié)兩塊反射鏡的俯仰角，使得激光二極管13經(jīng)裝置的透射 光與使用者激光器分出來(lái)的光在兩塊反射鏡上的光斑中心準(zhǔn)直。經(jīng)過(guò)上述步驟，使 用者無(wú)需調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部的光學(xué)元件，就可以獲得很好的光路準(zhǔn)直效果。上述調(diào)節(jié)步 驟是假定裝置和使用者激光器出射光光軸不同，與實(shí)際使用的情況一致。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例2用于塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻的光路原理圖(吸收池帶線圈)， 虛線中的部分是發(fā)明裝置。實(shí)施例2和實(shí)施例1的區(qū)別在于所述的飽和吸收池6帶 有線圈14，可用于塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻，線圈的匝數(shù)和電流的大小或調(diào)制頻率，根 據(jù)具體用途而定。如圖3所示，對(duì)裝置沒有太大的影響，不存在可能擋光的問題。
本發(fā)明裝置實(shí)驗(yàn)表明，效果很好。
權(quán)利要求
1、一種飽和吸收鑒頻裝置，特征在于其構(gòu)成是，沿激光束輸入方向依次是λ/2波片(2)、偏振分束棱鏡(3)、λ/4波片(9)、飽和吸收池(6)和楔形石英玻璃板(10)，所述的楔形石英玻璃板(10)的前表面垂直于所述的激光束，所述的入射光束經(jīng)所述的楔形石英玻璃板(10)的前表面和后表面反射分別形成探測(cè)光束和參考光束，在所述的偏振分束棱鏡(3)的探測(cè)光束的反射方向設(shè)置光電探測(cè)器(8)，所述的探測(cè)光束和參考光束由所述的光電探測(cè)器(8)接收。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飽和吸收穩(wěn)頻裝置，其特征在于所述的飽和吸收池(IO) 上繞一組線圈(14)，工作時(shí)保持該線圈電流恒定。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的飽和吸收穩(wěn)頻裝置，其特征在于所述的楔形石英玻璃 板(10)的楔角為3 5度。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的飽和吸收穩(wěn)頻裝置，其特征在于在所述的 波片(2)之前同光軸地設(shè)置第一小孔光闌(11)，在所述的楔形石英玻璃板(10) 之后同光軸地設(shè)置第二小孔光闌(12)和激光二極管(13)。
全文摘要
一種飽和吸收鑒頻裝置，構(gòu)成是沿激光束輸入方向同光軸地依次是λ/2波片、偏振分束棱鏡、λ/4波片、飽和吸收池、楔形石英玻璃板，所述的楔形石英玻璃板的前表面垂直于所述的激光束，所述的入射光束經(jīng)所述的楔形石英玻璃板的前表面和后表面反射分別形成探測(cè)光束和參考光束，在所述的偏振分束棱鏡的探測(cè)光束的反射方向設(shè)置光電探測(cè)器，所述的探測(cè)光束和參考光束由所述的光電探測(cè)器接收。本發(fā)明的光路簡(jiǎn)化，占用空間小，使用方便，也容易實(shí)現(xiàn)塞曼效應(yīng)鑒頻或移頻，不會(huì)出現(xiàn)擋光。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101593933SQ20091005342
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者周蜀渝, 王育竹, 鵬 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所