一種小型無(wú)本底飽和吸收光譜裝置及其系統(tǒng)和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光穩(wěn)頻的小型無(wú)本底飽和吸收 光譜裝置及其系統(tǒng)和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量、激光冷 卻、光纖通信、激光光譜、量子頻標(biāo)、俘獲、激光探測(cè)等前沿科研領(lǐng)域。激光器的穩(wěn)頻技術(shù)是 半導(dǎo)體激光器的核心技術(shù)。
[0003] 常用的半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻方案是利用原子或分子的飽和吸收光譜，將激光器的頻 率鎖定在原子的超精細(xì)能級(jí)的躍迀譜線或分子的振轉(zhuǎn)能級(jí)譜線上。由于原子和分子的共振 頻率穩(wěn)定性優(yōu)于激光器自由運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率穩(wěn)定性，這種方法可以提高激光器的頻率穩(wěn)定性。 如圖1所示，當(dāng)一束頻率掃描的激光作為探測(cè)光B經(jīng)過(guò)原子氣室，由于原子氣體有速度分布， 不同速度的原子感受到得激光頻率不同，原子對(duì)激光的吸收光譜存在多普勒展寬；當(dāng)同頻、 強(qiáng)度較高的栗浦光A與探測(cè)光B在空間中合束，且方向相反時(shí)，光譜信號(hào)上出現(xiàn)了多個(gè)透射 峰。原因是:對(duì)于探測(cè)光方向上速度為零的原子，當(dāng)栗浦光和探測(cè)光與原子的同一個(gè)超精細(xì) 能級(jí)躍迀共振時(shí)，強(qiáng)的栗浦光使原子在基態(tài)的布居減少，原子的探測(cè)光的吸收減弱，產(chǎn)生了 無(wú)多普勒本底的透射峰;對(duì)于探測(cè)光方向上速度為其中c為光速，Vl、Vj分別為 ZVq 第i、j個(gè)超精細(xì)能級(jí)躍迀共振頻率，VQ是激光中心頻率，i和j為自然數(shù))的原子，當(dāng)栗浦光和 探測(cè)光的頻率為^和^的時(shí)候，栗浦光與第i個(gè)超精細(xì)能級(jí)躍迀共振，探測(cè)光與第j個(gè)超精細(xì) 能級(jí)躍迀共振，也會(huì)產(chǎn)生無(wú)多普勒本底的透射峰，此時(shí)的光譜信號(hào)中含有多普勒吸收本底 和無(wú)多普勒效應(yīng)的透射峰；當(dāng)用另一束探測(cè)光C通過(guò)原子氣室，此時(shí)探測(cè)光C的光譜信號(hào)為 多普勒吸收本底信號(hào)，兩束探測(cè)光的信號(hào)相減得到無(wú)本底的無(wú)本底飽和吸收光譜。
[0004] 在空間冷原子實(shí)驗(yàn)、量子頻標(biāo)以及精密測(cè)量等領(lǐng)域，對(duì)穩(wěn)頻激光器的體積以及抗 振能力有很高的要求，通常需要盡可能的簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，以滿足整體穩(wěn)定性的要求。圖2描 述了目前通用的飽和吸收光譜裝置。
[0005] 現(xiàn)有的無(wú)本底飽和吸收光譜裝置如圖2所示，光纖耦合頭01注入種子源到平板狀 的厚玻璃片02,經(jīng)過(guò)厚玻璃片在前后表面分別發(fā)生反射，產(chǎn)生兩束反射光B和C以及一束透 射光A(反射光和透射光的強(qiáng)度比A:B:C = 23:1:1)，其中兩束反射光B和反射光C經(jīng)過(guò)氣室03 和五五分光頻片04入射到差分光電探測(cè)器05中；而透射光A經(jīng)過(guò)兩次45度反射鏡06和07、以 及五五分光頻片04反射以后在空間中與反射光B重合，反射光B產(chǎn)生了飽和吸收光譜信號(hào)， 反射光C產(chǎn)生了吸收光譜信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)差分后得到了無(wú)多普勒本底的飽和吸收光譜信號(hào)。
[0006] 但是，現(xiàn)有的這種裝置是通過(guò)兩個(gè)反射鏡進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有四個(gè)自由度，很難調(diào)節(jié)； 并且，反射光B和反射光C之間的距離是由厚玻璃片的厚度決定，要增加發(fā)射光B與反射光C 之間的距離，必須增加后玻璃片的厚度;同時(shí)，現(xiàn)有的這種裝置整體體積很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)穩(wěn)頻激光器的高穩(wěn)定性和小型化的技術(shù)需求，本發(fā)明提出了一種小型無(wú)本底 飽和吸收光譜裝置及其系統(tǒng)和控制方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)多普勒本底的飽和吸收光譜，并且使裝 置的體積減小到現(xiàn)有裝置的50%。由于本發(fā)明需要調(diào)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)更少，所以其穩(wěn)定性和 可靠性大大增加。
[0008] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種小型無(wú)本底飽和吸收光譜裝置。
[0009] 本發(fā)明的小型無(wú)本底飽和吸收光譜裝置包括:種子光源、分光儀、原子氣室、第一 三棱鏡、第一和第二光電探測(cè)器;其中，第一三棱鏡的最大頂角為第一頂角，與第一頂角相 對(duì)的側(cè)面為入射面，第一頂角兩邊的側(cè)面分別為第一反射面和第二反射面，入射面為低反 射高透射面，第一反射面為高反射低透射面，第二反射面為低反射高透射面;種子光源發(fā)出 的種子光經(jīng)分光儀后，一部分作為主光透射出，另一部分光作為栗浦光進(jìn)入原子氣室，激發(fā) 原子吸收形成具有多普勒展寬的吸收光譜;栗浦光從原子氣室出射后，入射至第一三棱鏡 的入射面;通過(guò)調(diào)節(jié)第一三棱鏡的俯仰角和夾角，使得栗浦光與入射面垂直;經(jīng)低反射高透 射的入射面后，小部分光經(jīng)入射面反射作為第一探測(cè)光，返回原子氣室，與栗浦光反向同 線，產(chǎn)生具有多個(gè)透射峰的吸收光譜;大部分光經(jīng)入射面透射進(jìn)入第一三棱鏡，經(jīng)高反射低 透射的第一反射面反射后，又經(jīng)第二反射面反射后，從入射面透射出第一三棱鏡，作為第二 探測(cè)光進(jìn)入原子氣室，產(chǎn)生多普勒展寬光譜;經(jīng)原子氣室后的第一探測(cè)光和第二探測(cè)光分 別由第一光電探測(cè)器和第二光電探測(cè)器接收，其中第一探測(cè)光產(chǎn)生的為含有多普勒展寬的 飽和吸收光譜信號(hào)，第二探測(cè)光產(chǎn)生了含有多普勒展寬光譜信號(hào)，經(jīng)減法器后，形成無(wú)本底 飽和吸收光譜。
[0010] 第一三棱鏡為透明的材料，第一反射面的表面鍍有高反膜，形成高反射低透射面； 第二反射面和入射面不做處理，形成低反射高透射面。
[0011] 栗浦光經(jīng)入射面反射后，作為第一探測(cè)光，第一探測(cè)光與栗浦光天然重合于一點(diǎn)， 因此只需要調(diào)節(jié)第一三棱鏡的俯仰角和夾角，就可以調(diào)節(jié)栗浦光與第一探測(cè)光重合，因此 只有兩個(gè)維度的自由度，極大地降低了調(diào)節(jié)難度。
[0012] 栗浦光經(jīng)入射面反射形成第一探測(cè)光，透射后分別經(jīng)第一反射面和第二反射面反 射后形成第二探測(cè)光，通過(guò)調(diào)節(jié)栗浦光與第一三棱鏡的第一頂角的高所在的直線之間的距 離，能夠精確且方便地調(diào)節(jié)第一探測(cè)光與第二探測(cè)光之間的距離。
[0013] 第一頂角在80~100。之間。
[0014] 分光儀可采用分光片，從種子光源發(fā)出的種子光經(jīng)分光片后，一部分透射作為主 光輸出，另一部分進(jìn)入原子氣室作為栗浦光。分光儀還可以米用第二三棱鏡，第二三棱鏡最 大的頂角為第二三棱鏡的第一頂角，第一頂角相對(duì)的側(cè)面為第二三棱鏡的入射面，第二三 棱鏡的第一頂角的兩側(cè)的面分別為第二三棱鏡的第一反射面和第二反射面，第二三棱鏡的 第一反射面鍍有高反膜，第二三棱鏡的第二反射面鍍有分光膜，第二三棱鏡的入射面不鍍 膜;種子源經(jīng)光纖耦合頭注入至分光棱鏡的入射面，經(jīng)第一反射面反射后，一部分光經(jīng)第二 反射面透射出作為主光輸出，一部分經(jīng)第二反射面反射，進(jìn)入原子氣室作為栗浦光。
[0015] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種小型無(wú)本底飽和吸收光譜裝置的控制方法。
[0016] 本發(fā)明的小型無(wú)本底飽和吸收光譜裝置的控制方法，包括以下步驟：
[0017] 1)種子光源發(fā)出的種子光經(jīng)分光儀后，一部分作為主光透射出，另一部分光作為 栗浦光進(jìn)入原子氣室；
[0018] 2)栗浦光激發(fā)原子吸收形成具有多普勒展寬的吸收光譜；
[0019] 3)栗浦光從原子氣室出射后，入射至第一三棱鏡的入射面；
[0020] 4)通過(guò)調(diào)節(jié)第一三棱鏡的俯仰角和夾角，使得栗浦光與入射面垂直；
[0021] 5)經(jīng)低反射高透射的入射面后，小部分光經(jīng)入射面反射作為第一探測(cè)光，返回原 子氣室，與栗浦光反向同線，產(chǎn)生具有多個(gè)透射峰的吸收光譜；
[0022] 6)經(jīng)低反射高透射的入射面后，大部分光經(jīng)入射面透射進(jìn)入第一三棱鏡，經(jīng)高反 射低透射的第一反射面反射后，又經(jīng)第二反射面反射后，從入射面透射出第一三棱鏡，作為 第二探測(cè)光進(jìn)入原子氣室，產(chǎn)生多普勒展寬光譜；
[0023] 7)經(jīng)原子氣室后的第一探測(cè)光和第二探測(cè)光分別由第一光電探測(cè)器和第二光電 探測(cè)器接收，其中第一探測(cè)光產(chǎn)生的為含有多普勒展寬的飽和吸收光譜信號(hào)，第二探測(cè)光 含有多普勒展寬光譜信號(hào)，經(jīng)減法器后，形成無(wú)本底飽和吸收光譜。
[0024]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0025]本發(fā)明采用三棱鏡，栗浦光通過(guò)原子氣室激發(fā)多普勒吸收光譜，出射后入射至三 棱鏡的入射面反射形成第一探測(cè)光，與栗浦光反向且共線，并經(jīng)第一反射面和第二反射面 反射后，形成第二探測(cè)光進(jìn)入原子氣室，從原子氣室出射后的第一探測(cè)光和第二探測(cè)光相 減后形成無(wú)本底飽和吸收光譜;本發(fā)明解決了原有機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且龐大的問(wèn)題，簡(jiǎn)化光 路結(jié)構(gòu)，可以將整個(gè)無(wú)本底飽和吸收光譜裝置集成在30mm*50mm*20mm的盒子內(nèi)；同時(shí)，由于 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光路便于調(diào)諧，使其機(jī)械穩(wěn)定性大幅提高，從而應(yīng)用更為廣泛。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為消除本底的飽和吸收光譜的原理示意圖；
[0027] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的無(wú)本底飽和吸收光譜裝置的示