技术领域
[0001] 本
发明属于超低
膨胀率光学腔测量领域，具体涉及一种超稳光学腔零交叉温度的测量装置及测量方法。
背景技术
[0002] 超稳光学腔是指由具有零交叉温度的超低膨胀率材料（TiO2-SiO2材料，每摄氏度约10亿分之一的长度变化）作为腔体、由高反射率（反射率达到四个9）的
镀膜光学镜片作为腔镜做成的法布里-珀罗干涉仪，也称为法布里-珀罗标准具，是当前光学精密测量的核心器件，在光学时钟、引
力波探测、相对论效应探测、相干光频转换等方向都有重要应用。超稳腔腔体长度决定了耦合激光的输出
频率。由于机械振动、声音气流、温度变化等因素的影响，腔体长度会发生一些微小变化，进而影响光学测量的
稳定性。对超稳腔实施振动隔离和放入
真空环境可以有效降低机械振动
和声音气流的影响。将超稳腔温度稳定在
热膨胀率系数为零的
位置可以消除温度变化的影响。目前的超稳腔制作技术可以将超稳腔的零交叉
温度控制到一定温度范围，但控制
精度只能达到1-10摄氏度的量级[Eur. Phys. J. D 67, 46 (2013), Jpn. J. Appl. Phys. 54, 096702 (2015)]，原因在于组成腔体材料中各成分的比例、腔体几何结构、甚至制作环境的微小变化都会影响超稳腔的零交叉温度。因此如何快速准确地测量超稳腔的零交叉温度对使用超稳腔具有重要的现实意义。
[0003] 当前测量超稳腔零交叉温度最常用的方法是利用PDH（Pound-Drever-Hall）技术将耦合激光频率
锁定到耦合激光经过超稳腔的透射峰或者一级边带，然后使用光电探测器测量锁定后的耦合激光频率与参考激光频率的
拍频信号（即频率的差值），最后画出拍频的中心频率或频率分布宽度随设定温度的变化图，拟合的极小值处对应超稳腔的零交叉温度[Meas. Sci. Technol. 29, 075011(2018)]。这种方法的优点是可以使用
软件程序对拍频信号进行长期存储，节省了人工操作，但缺点是必须有个稳定的频率参考设备，该设备通常由价格不菲的光学频率梳（200万左右）来提供
光源 [Journal of NICT 57, 175 (2010)]，或者由锁定到第二台性能更好或性能相同的超稳腔的第二台激光来提供（整套的价格也近50万）[Phys. Rev. A 77, 033847 (2008)]。为了降低频率参考设备成本，也可以使用
原子分子的共振跃迁线来提供参考激光频率[Chin. Phys. B 27, 053201 (2018), Rev. Sci. Instrum. 89, 033107 (2018)]，但该方法需要大量的人工操作：首先需要在跃迁线附近逐点扫描激光频率并记录对应的光学透射信号，扫描完成后拟合出共振频率，再多次不断重复地扫描、记录、拟合这样的过程，然后才能对共振频率进行统计计数得到频率的统计分布宽度，改变温度后再重复上述过程，最后画出共振频率的统计分布宽度与温度的变化图，拟合的极小值处对应超稳腔的零交叉温度。此外，上述两种测量装置和测量方法中都需要对耦合激光频率锁定，超稳腔零交叉温度的测量精度在0.1 1度。
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发明内容
[0004] 本发明克服
现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单，操作方便的超稳光学腔零交叉温度测量装置。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超稳光学腔零交叉温度测量装置，包括
激光器、第一分光器件、饱和吸收
光谱装置、第二分光器件、空间电光
调制器、光纤电光调制器、腔前匹配透镜组、第二光电探测器、第一光电探测器、信号发生器、第一驱动源、第二驱动源、计算单元和显示器；所述激光器发出的光经第一分光器件后分成第一光束和第二光束，所述第一光束入射到所述饱和吸收光谱装置，形成的饱和吸收光谱经所述第一探测器后输出到所述计算单元；所述第二光束经第二分光器件后形成第三光束和第四光束，所述第三光束入射到
波长计探测，所述第四光束依次经空间电光调制器、光纤电光调制器、腔前匹配透镜组后，入射到待测超稳光学腔，所述待测超稳光学腔的透射信号经所述第二光电探测器探测后输出到所述计算单元；所述信号发生器用于扫描所述激光器上的压电陶瓷，使激光频率在原子共振跃迁线附近扫描；所述第一驱动源和第二驱动源分别用于驱动所述空间电光调制器和光纤电光调制器，所述信号发生器还与所述计算单元连接，用于触发所述计算单元；所述计算单元用于记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，并以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准，计算
选定吸收峰相对腔模一级边带的
频率偏移，并长时间存储，测量结束后做频率偏移的统计分布，得到频率偏移值；还用于根据不同温度下的测量得到的频率偏移值，进行二次函数拟合得到超稳腔的零交叉温度。
[0006] 所述第一分光器件和第二分光器件均包括一个半波片和一个偏振分光棱镜。
[0007] 所述饱和吸收光谱装置包括半波片、第一偏振分光棱镜、原子
蒸汽泡、第二偏振分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜，所述第一光束经所述半波片后入射到所述第一偏振分光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜后分为两束，其中一束直接入射到所述铯蒸汽泡上后经所述第二偏振分光棱镜后被所述第一光电探测器探测，另一束通过第一反射镜、第二反射镜、第二偏振分光棱镜后从相反方向入射到所述铯蒸汽泡上。
[0008] 此外，本发明还提供了一种超稳光学腔零交叉温度测量方法，采用所述的一种超稳光学腔零交叉温度测量装置进行测量，其包括以下步骤：步骤一：用波长计测量激光的频率，调节激光器的
电流、温度或
电压参数使激光波长稳定工作在原子气泡饱和吸收光谱对应的波长附近；
步骤二、通过信号发生器扫描激光器上的压电陶瓷，使激光频率在饱和吸收光谱对应的波长附近扫描；
步骤三、通过显示器观察第一光电探测器采集的饱和吸收谱信号和第二光电探测器采集的腔透射信号，选定饱和吸收光谱中的一个吸收峰作为参考频率标准，调节第二驱动源的频率参数f1和第一驱动源的频率参数f2，使第二光电探测器采集到的邻近选定吸收峰的腔模一级边带和该边带的一级边带位于选定吸收峰的附近；
步骤四、计算单元记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准，记录选定吸收峰相对腔模一级边带的频率偏移，并长时间存储，测量结束后做频率频移的统计分布，并计算得到选定的吸收峰相对于腔模的频率偏移值；
步骤五、改变待测超稳光学腔的控制温度，待系统温度稳定后，重复步骤三和步骤四，得到不同温度下的频率偏移值，经过多温度点测量得到多组数据后，采用二次函数拟合，得到频率偏移极小位置对应的温度，此温度即是超稳腔的零交叉温度。
[0009] 所述步骤四的具体步骤为：计算单元记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准，测定选定吸收峰相对腔模一级边带距离A以及腔模一级边带和该边带的一级边带的间距B，并计算比率R=A/B，对比率R进行长时间存储，测量结束后做比率R的统计分布，并通过高斯拟合得到R的平均值RA，最后利用公式δ=RA*f1-f2得到选定的吸收峰相对于腔模的频率偏移值。
[0010] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过在待测超稳光学腔的腔前光路中设置两个电光调制器对入射光进行调制，使得通过调节电光调制器的频率可以调节入射光边带在待测超稳光学腔的透射峰中的位置，并通过原子饱和吸收光谱以及电光调制器的调制频率为参考，从而实现超稳光学腔的零交叉温度的测量，其操作过程简单，方便，而且数据的采集过程可以通过程序进行自动采集，因此，不仅能节约成本，而且可以大量节约人力，并且不需要对耦合激光频率锁定，可以广泛应用于超稳腔测量领域。
附图说明
[0011] 图1 为本发明
实施例提供的一种超稳光学腔零交叉温度测量装置的结构示意图；图2为本发明实施例中铯原子饱和吸收峰（曲线S1）和超稳腔透射峰（曲线S2）的示意图，为简单起见，图中没有标示空间电光调制器产生的6个一级边带；
图3 为本发明实施例中铯原子饱和吸收峰（曲线S3）和超稳腔透射峰（曲线S4）局部图，图3是在减小信号发生器37电压的情况下得到的图2中虚线部分；
图4 为本发明实施例中长时间记录得到的饱和吸收峰相对位置比率R值（图3中所示A/B的值），其对应的超温光学腔温度为33度；
图5为对图4中比率数据R的计数统计图；
图6 本发明实施例中对测量得到的不同温度下的频率偏移值进行二次函数拟合的曲线图；
其中，1-窄线宽激光器；2-半波片；3-偏振分光棱镜；4-半波片；5-第一偏振分光棱镜；
6-第一反射镜；7-第二反射镜；8-第二偏振分光棱镜；9-原子蒸汽泡；10-反射镜；11-反射镜；12-半波片；13-偏振分光棱镜；14-波长计；15-半波片；16-偏振分光棱镜；17-反射镜；
18-空间电光调制器；19-第一驱动源；20-第一光纤耦合头；21-光纤电光调制器；22-第二驱动源；23-第二光纤耦合头；24-凸透镜(f=17.5cm)；25-反射镜；26-凸透镜(f=5cm)；27-反射镜；28-凸透镜(f=15cm)；29-真空屏蔽罩；30-凹面高反镜；31-平面高反镜；32-超低膨胀率吸收腔体；33-第二光电探测器；34-第一光电探测器；35-计算单元；36-显示器；37-信号发生器。
具体实施方式
[0012] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0013] 如图1所示，本发明实施例提供了一种超稳光学腔零交叉温度测量装置，包括激光器1、半波片2与偏振分光棱镜3构成的第一分光器件、半波片12与偏振分光棱镜13构成的第二分光器件、饱和吸收光谱装置、空间电光调制器18、光纤电光调制器21、腔前匹配透镜组、第二光电探测器33、第一光电探测器34、信号发生器37、第一驱动源19、第二驱动源22、计算单元35和显示器36。其中，半波片与偏振分光棱镜组合使用，可以调节穿过偏振分光棱镜的光束和被偏振分光棱镜反射的光束的光强比例，因此可以形成分光器件。
[0014] 其中，如图1所示，所述激光器1发出的光经第一分光器件后分成第一光束和第二光束，所述第一光束入射到所述饱和吸收光谱装置，形成的饱和吸收光谱经所述第一探测器34后输出到所述计算单元35；所述第二光束经第二分光器件后形成第三光束和第四光束，所述第三光束入射到波长计14探测，所述第四光束依次经空间电光调制器18后由第一光纤耦合头20耦合进光纤中，经光纤电光调制器21后由第二光纤耦合头21射出，然后再经由凸透镜24、凸透镜26和凸透镜28形成的腔前匹配透镜组后，入射到待测超稳光学腔，所述待测超稳光学腔的透射信号经所述第二光电探测器33探测后输出到所述计算单元35。其中，腔前还设置有用于调节入射光束的方向的反射镜25和反射镜27。
[0015] 此外，光路中还设置有由半波片15和半波片16形成的第三分光器件，第三分光器件位于第二分光器件与空间电光调制器18之间，用于将入射光分出一部分后，使剩余的光入射到腔内，分出的光可以做其它用途，通过设置第三分光器件，可以调节入射到腔内的光强。
[0016] 其中，所述信号发生器37用于扫描所述激光器1上的压电陶瓷，使激光频率在原子共振跃迁线附近扫描；所述第一驱动源19和第二驱动源22分别用于驱动所述空间电光调制器18和光纤电光调制器21，所述信号发生器37还与所述计算单元35连接，用于触发所述计算单元35。信号发生器37也可以是激光器1内置的信号发生器，其可对激光器1的压电陶瓷进行扫描并同时输出触发信号给计算单元35。
[0017] 其中，计算单元内置有
数据采集卡和由LabVIEW软件开发的程序软件，用于对数据采集卡采集到的来自光电探测器33和34的探测信号进行读取、识别、运算、存储等操作。具体地，所述计算单元35用于记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，并以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准，计算选定吸收峰相对腔模一级边带的频率偏移，并长时间存储，测量结束后做频率偏移的统计分布，计算得到频率偏移值；还用于根据不同温度下的测量得到的频率偏移值，进行二次函数拟合得到超稳腔的零交叉温度。
[0018] 此外，本发明实施例中，激光器1可以为窄线宽激光器，通常激光器线宽在MHz量级即可满足要求，不过线宽越窄最终测量的精度越高。本实施例中所用激光器是德国Toptica公司生产的DLC pro
半导体激光器，自带隔离器和光束整形镜，出射光斑半径在1mm左右，该激光器波长在840-875nm范围可调谐，该波段
覆盖了铯原子的D2跃迁线，同时该波段也处于待测超稳腔32的镀膜范围（700 1000nm），出射激光的线宽在100kHz。此外，也可以选用其他~波长的激光器，只要其发射的波长能覆盖原子的跃迁线形成饱和吸收光谱，并且波长范围处于待测超稳腔的镀膜范围即可。
[0019] 本实施例中，饱和吸收光谱装置包括半波片4、第一偏振分光棱镜5、原子蒸汽泡9、第二偏振分光棱镜8、第一反射镜6和第二反射镜7，所述第一光束经所述半波片4后入射到所述第一偏振分光棱镜5，经所述第一偏振分光棱镜5后分为两束，其中一束作为探测光直接入射到所述铯蒸汽泡9上后经所述第二偏振分光棱镜8后被所述第一光电探测器34探测，另一束作为
泵浦光通过第一反射镜6、第二反射镜7、第二偏振分光棱镜8后从相反方向入射到所述铯蒸汽泡9上。其中泵浦光和探测光在应在铯蒸汽泡9中完全重合。
[0020] 本发明实施例提供了一种超稳光学腔零交叉温度测量方法，采用如图1所示的一种超稳光学腔零交叉温度测量装置进行测量，其包括以下步骤：步骤一：用波长计14测量激光的频率，调节激光器1的电流、温度或电压参数使激光波长稳定工作在原子气泡饱和吸收光谱对应的波长附近；具体地，当选用铯原子蒸汽泡时，应使激光波长稳定工作在852.347275nm附近，该波长对应铯原子D2线，即6S1/2→6P3/2原子跃迁线。
[0021] 步骤二、通过信号发生器37扫描激光器1上的压电陶瓷，使激光频率在饱和吸收光谱对应的波长附近扫描；使激光频率线性变化，同时给计算单元35一个触发信号，在显示器36上同步显示光电探测器34采集到的饱和吸收谱信号。如图2所示，曲线1即为得到的铯原子饱和吸收谱信号。
[0022] 步骤三、通过显示器36观察第一光电探测器34采集的饱和吸收谱信号和第二光电探测器33采集的腔透射信号，选定饱和吸收光谱中的一个吸收峰作为参考频率标准，本实施例中选6个吸收峰中强度最大的吸收峰作为参考频率标准，即图中方框中的吸收峰，该吸收峰对应铯原子6S1/2，F=4→6P3/2，F=4跃迁和6S1/2，F=4→6P3/2，F=5跃迁的中间光学频率位置，即这两个跃迁的交叉位置（cross over）。调节第二驱动源22的频率参数f1和第一驱动源19的频率参数f2，使第二光电探测器33采集到的邻近选定吸收峰的腔模一级边带和该边带的一级边带位于选定吸收峰的附近，如图2和图3所示。
[0023] 其中，对光纤电光调制器21和空间电光调制器18同时施加射频驱动时，在仪器操作安全范围内调节两驱动源的功率：为了得到较大边带信号同时区分腔模信号和边带信号，选择射频驱动22的功率为30mW，使边带强度为腔模的1/2；为了获得较强边带信号选择射频驱动源19最大输出功率50mW。第一驱动源19的频率选择在自制空间电光调制器的最佳射频位置6.22MHz，实验开始时可以调节第二驱动源22的频率使得腔模左侧一级边带和该边带的右侧一级边带分居在选定吸收峰的两侧，如图3所示。需要说明的是，图3并不是图2的放大图，而是减小信号发生器37扫描电压后另外采集的图2方框所示区域的信号。
[0024] 其中，应说明的是，无论是光纤电光调制器调制还是空间电光调制器，都会使激光产生正一级边带和负一级边带。实际测量时，选择的一级边带既可为正一级也可为负一级，只要使一级边带和该一级边带的一级边带分居在选定吸收峰的两侧即可。
[0025] 步骤四、计算单元35记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准，记录选定吸收峰相对腔模一级边带的频率偏移，并长时间存储，测量结束后做频率频移的统计分布，并计算得到选定的吸收峰相对于腔模的频率偏移值；具体地，计算单元35记录透射峰、腔模一级边带和该边带的一级边带的位置，以腔模一级边带和该边带的一级边带的间距为频率标准。在图3中定义比率R=A/B，其中A为选定吸收峰相对腔模一级边带的距离，B为腔模一级边带和该边带的一级边带的间距，因此R表示饱和吸收峰的相对位置比率。其中，由于腔模一级边带和该边带的一级边带的间距对应的是射频驱动源19的驱动频率f1，而该频率是保持不变的，因此，以该频率为频率标准，通过计算R值，可以间接表明饱和吸收峰相对于腔模的一级边带的频率偏移，此外，由于腔模一级边带和腔模的频率差对应射频驱动源22的频率f2，因此，该比率也可以转化为饱和峰相对于腔模的频率偏移。计算单元35同时对比率R进行长时间存储，如图4所示。图4记录了饱和吸收峰的相对位置比率R的长时间数据，图中记录了93617个比率数据。
[0026] 需要说明的是如果比率的平均值随时间出现单调地变化，说明此时超稳腔还未达到温度平衡，此时不能进行测量，应待超稳腔的温度达到平衡后，再重新进行测量。
[0027] 如图5所示，为测量结束后对图4中的数据进行计数统计，得到的比率R的统计分布图，记数的横轴比率间隔是0.01，图中实线是对数据的高斯拟合，拟合的中心位置和误差为0.9490±0.0003，拟合得到的中心位置作为比率R的平均值RA，最后利用公式δ=RA*f1-f2得到选定的吸收峰相对于腔模的频率偏移值δ。
[0028] 步骤五、改变待测超稳光学腔的控制温度，待系统温度稳定后，重复步骤三和步骤四，得到不同温度下的频率偏移值，经过多温度点测量得到多组数据后，采用二次函数拟合，得到频率偏移极小位置对应的温度，此温度即是超稳腔的零交叉温度。
[0029] 需要强调的是如果在该温度附近小范围温度内继续按照所述方法测量零交叉温度，可以将温度误差继续缩小。
[0030] 如图6所示，即为本实施例中，测量得到饱和吸收峰相对于腔模的频率偏移随温度的变化趋势图，图中曲线为二次函数的拟合结果，通过拟合得到该超稳腔的零交叉温度及误差为27.36±0.07度。
[0031] 其中，超稳腔的自由光谱区FSR（free spectral range）跟腔长的关系是：f=c/2L，式子中f代表自由光谱区，c表示光速，L表示腔长。在零交叉温度处超稳腔的腔长最小，对应的自由光谱区最大。因为饱和吸收谱的绝对频率是不变的，因此腔模及随着腔模同步偏移的一级边带、以及该边带的一级边带都会相对饱和吸收谱向频率大的一方漂移。在图2和图3中，左侧频率小，右侧频率大，因此光学透射峰会向右移动。注意到我们前述步骤中记录的是饱和谱相对于腔模的频率偏移，正好与腔模相对饱和谱频率偏移的趋势相反，因此在零交叉温度处饱和吸收谱相对于腔模的频率偏移会出现极小值。所以，通过测量不同温度下的饱和吸收谱相对于腔模的频率偏移，通过拟合可以得到频移的最小值，该值对应的温度，即为超稳腔的零交叉温度。
[0032] 此外，采用本发明进行测量时，如果可以实现调节温控参数使腔体温度缓慢地绝热变化（可认为腔体温度与温控的设定温度是一致的），本发明可以连续地采集数据，即可以连续地得到各个温度下的频率偏移，而不需要改变温度并待温度稳定后才能开始测量。
[0033] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
