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一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置

阅读：229发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于亚多普勒DAVLL 光谱的反射式集成装置，包括激光光源、分光镜、原子气室、亥姆霍兹线圈、反射镜、四分之一波片、检偏器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中激光光源发出的激光通过分光镜分成两路，其中一路激光向外出射，另外一路激光通过原子气室后到达反射镜，经反射镜反射后沿原光路返回，依次经过原子气室、分光镜、四分之一波片后到达检偏器，检偏器将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器和第二光电探测器分别接收，本发明增强了亚多普勒DAVLL光谱的稳定性和集成性，显著提高相关具体应用的精度、稳定度和集成度。，下面是一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，其特征在于：包括激光光源(1)、分光镜(2)、原子气室(3)、亥姆霍兹线圈(4)、反射镜(5)、四分之一波片(6)、检偏器(7)、第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)，其中反射镜(5)、原子气室(3)、分光镜(2)、四分之一波片(6)、检偏器(7)和第二光电探测器(9)依次排布，亥姆霍兹线圈(4)缠绕在原子气室(3)外表面，且反射镜(5)、原子气室(3)、分光镜(2)、四分之一波片(6)、检偏器(7)、第二光电探测器(9)和亥姆霍兹线圈(4)的中心位于同一光轴，第一光电探测器(8)设置在检偏器(7)一侧，且第一光电探测器(8)与检偏器(7)的中心所在直线与所述光轴垂直，激光光源(1)位于分光镜(2)的一侧；
所述激光光源(1)发出的激光通过分光镜(2)分成两路，其中一路激光向外出射，另外一路激光通过原子气室(3)后到达反射镜(5)，经反射镜(5)反射后沿原光路返回，依次经过原子气室(3)、分光镜(2)、四分之一波片(6)后到达检偏器(7)，检偏器(7)将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器(8)和第二光电探测器(9)分别接收；
所述分光镜(2)为非偏振分束器件，分光镜(2)的分光比为1：99；
所述反射镜(5)为全反射镜或部分反射镜，所述全反射镜的反射率为99％，所述部分反射镜的反射率为10％-90％；
所述激光光源(1)的输出功率为101mW。
2.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述原子气室(3)内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。
3.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述激光光源(1)采用外腔式可调谐半导体激光器，输出偏振态为线偏振的激光。
4.根据权利要求1所述的一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，其特征在于：所述四分之一波片(6)将经过分光镜(2)的反射光转换为椭圆偏振光，之后到达检偏器(7)。

说明书全文

一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光器频率稳定领域，具体涉及一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置。

背景技术

[0002] 近年来，随着激光光源的不断发展，激光器已成为基础物理研究、精密测量和惯性导航等领域的重要组成部分。对于量子模拟、量子计算、原子钟、光钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、SERF陀螺仪和核磁共振陀螺仪等具体应用，频率稳定的激光光源都是核心部件。由于工作温度和工作电流的影响，自由运转的激光器的频率是不稳定的。利用原子的超精细能级结构光谱，将激光器的频率稳定在所需的共振跃迁线，是获得频率稳定的激光光源最为基本的手段。亚多普勒DVALL(dichroic atomic vapor laser lock)光谱就是上述具体应用中最为常用的原子超精细能级结构光谱之一。

[0003] 亚多普勒DVALL光谱是利用取向磁场中原子气体的双色性而获得的原子吸收光谱。由于泵浦光和探测光的同偏振态要求和光强差异，亚多普勒DAVLL光谱存在相当数量用于偏振控制、光强控制、分束和合束的光学元件。过多的光学元件，引入了更多的噪声，增加了稳频光谱的空间体积，降低了稳频光谱的稳定性和集成性，影响了相关具体应用的精度、稳定度和集成度。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，解决用于偏振控制、光强控制、分束和合束的光学元件所带来的问题，增强了亚多普勒DAVLL光谱的稳定性和集成性，显著提高相关具体应用的精度、稳定度和集成度。

[0005] 本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

[0006] 一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，包括激光光源、分光镜、原子气室、亥姆霍兹线圈、反射镜、四分之一波片、检偏器、第一光电探测器和第二光电探测器，其中反射镜、原子气室、分光镜、四分之一波片、检偏器和第二光电探测器依次排布，亥姆霍兹线圈缠绕在原子气室外表面，且反射镜、原子气室、分光镜、四分之一波片、检偏器、第二光电探测器和亥姆霍兹线圈的中心位于同一光轴，第一光电探测器设置在检偏器一侧，且第一光电探测器与检偏器的中心所在直线与所述光轴垂直，激光光源位于分光镜的一侧；

[0007] 所述激光光源发出的激光通过分光镜分成两路，其中一路激光向外出射，另外一路激光通过原子气室后到达反射镜，经反射镜反射后沿原光路返回，依次经过原子气室、分光镜、四分之一波片后到达检偏器，检偏器将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器和第二光电探测器分别接收。

[0008] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，分光镜为非偏振分束器件，分光镜的分光比为1：9-1：99。

[0009] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，反射镜为全反射镜或部分反射镜。

[0010] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，全反射镜的反射率为99％，所述部分反射镜的反射率为10％-90％。

[0011] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，原子气室内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。

[0012] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，激光光源采用外腔式可调谐半导体激光器，输出偏振态为线偏振的激光。

[0013] 在上述用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置中，四分之一波片将经过分光镜的反射光转换为椭圆偏振光，之后到达检偏器。

[0014] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0015] (1)、本发明创新设计了一种用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置，使用反射式光路代替传统亚多普勒DAVLL光谱的分束合束光路，保证了泵浦光和探测光偏振态相同，大幅精简了光学元件，减少了噪声源，降低了稳频光谱的空间体积,显著提高了稳频光谱的稳定性和集成性。

[0016] (2)、本发明反射式集成装置使用完全重合的泵浦光和探测光光路，增强了稳频光谱对光学元件振动噪声的抗扰能力，进一步提高了稳频光谱的稳定性。

[0017] (3)、本发明反射式集成装置相比传统分束合束式光谱技术，稳定性提高了约3倍，集成度提高了约1.7倍。附图说明

[0018] 图1为本发明用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置原理图；

[0019] 图2为本发明用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的稳定性对比图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

[0021] 如图1所示为本发明用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置原理图，由图可知本发明反射式集成装置包括激光光源1、分光镜2、原子气室3、亥姆霍兹线圈4、反射镜5、四分之一波片6、检偏器7、第一光电探测器8和第二光电探测器9，用于实现亚多普勒DAVLL光谱及其探测。

[0022] 其中反射镜5、原子气室3、分光镜2、四分之一波片6、检偏器7和第二光电探测器9依次排布，亥姆霍兹线圈4缠绕在原子气室3外表面，且反射镜5、原子气室3、分光镜2、四分之一波片6、检偏器7、第二光电探测器9和亥姆霍兹线圈4的中心位于同一光轴，即上述各器件的中心位于与光轴重合的同一直线上。第一光电探测器8设置在检偏器7一侧，且第一光电探测器8与检偏器7的中心所在直线与该光轴垂直，激光光源1位于分光镜2的一侧。

[0023] 激光光源1发出的激光通过分光镜2分成两路激光，其中一路激光向外出射，另一路激光通过原子气室3后到达反射镜5，经反射镜5反射后，沿原光路返回，依次经过原子气室3、分光镜2、四分之一波片6后到达检偏器7，检偏器7将激光分成两路偏振方向垂直的激光，由第一光电探测器8和第二光电探测器9分别接收。

[0024] 上述分光镜2为非偏振分束器件，分光镜2的分光比为1：9-1：99。

[0025] 上述反射镜5为全反射镜或部分反射镜。全反射镜的反射率为99％，部分反射镜的反射率为10％-90％。

[0026] 上述原子气室3内封装铷原子、铯原子、钠原子或钾原子，未加入缓冲气体，提供原子光谱的非线性工作介质。

[0027] 上述激光光源1采用外腔式可调谐半导体激光器，输出偏振态为线偏振的激光。

[0028] 本发明以分光镜2、原子气室3、亥姆霍兹线圈4和反射镜5作为核心部件。激光光源1通过分光镜2，产生光谱分光和具体应用分光两路激光；光谱分光用于产生亚多普勒偏振光谱所需的泵浦光和探测光，具体应用分光用于产生量子模拟、量子计算、原子钟、光钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、SERF陀螺仪和核磁共振陀螺仪等具体应用所需的光与原子相互作用。光谱分光的偏振态是线偏振，作为泵浦光通过与亥姆霍兹线圈4共轴的原子气室
3。由于原子介质的吸收，透射泵浦光的光强发生衰减，可作为探测光。之后，反射镜6使得探测光沿入射光路返回原子气室3，由于对射的泵浦光和探测光构成亚多普勒探测，得到的稳频光谱不受原子多普勒效应的影响。因为亥姆霍兹线圈4产生的取向磁场使得原子的超精细结构能级发生塞曼分裂，所以，构成线偏振态的左旋圆偏振态和右旋圆偏振态成分的共振吸收频率将相对于无磁基准频率发生红移和蓝移，使得左旋圆偏振态成分和右旋圆偏振态成分对于同一频率的吸收率产生差异，这就是取向磁场中原子气体的双色性。双色性使得探测光在通过原子气室3后线偏振方向发生旋转，从而携带取向磁场中原子气体的双色性信息。从原子气室3透射的探测光依次通过分光镜2和四分之一波片6后，使用由检偏器7和光电探测器8、9构成的差分测量单元将探测光所携带的双色性信息取出，获得原子双色吸收光谱，即亚多普勒DAVLL光谱。亚多普勒DAVLL光谱由光电探测器8、9接收，转化为稳频光谱的电信号，用于激光光源1的频率稳定。

[0029] 实施例1

[0030] 激光光源1采用外腔式可调谐半导体激光器，型号为Toptica DL100，中心波长780.24nm，线宽4MHz，输出功率101mW，激光偏振态为线偏振；分光镜2为直径10mm的厚石英玻璃片，分光比1：99；原子气室3为10mm3石英玻璃腔，内封装铷原子蒸汽，但未加入缓冲气体，压强10-7Torr，提供原子光谱的非线性工作介质；亥姆霍兹线圈4由20mm×15mm×2mm的定制长方体永磁铁代替；反射镜5直径10mm，反射率为99％；四分之一波片6为直径10mm的真零级波片；检偏器7为10mm3正方体偏振分束棱镜，消光比>1000：1；第一光电探测器8和第二光电探测器9均采用thorlabs FDS02 硅光电管，暗电流35pA(5V)。

[0031] 如下表1所示为本发明用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的集成度对比情况表，由表1可知反射式集成装置的组件总数为9，尺寸(长×宽×高)为75mm×20mm×20mm，与传统分束合束式光谱相比，反射式集成装置的组件总数减少了40％，整体尺寸减少了60％，集成度显著提高了约1.7倍。

[0032] 表1

[0033]

[0034]

[0035] 本实施例1中的噪声源主要由两部分构成：(1)空气流动和平台震动产生的光学元件振动噪声。(2)激光光源1自由运转时，频率漂移产生的相位噪声。通过使用反射式集成装置进行频率稳定，这两种噪声都得到有效的抑制。如图2所示为本发明用于亚多普勒DAVLL光谱的反射式集成装置与传统分束合束式光谱装置的稳定性对比图，使用干涉仪测量了具体实施例1和传统分束合束式光谱中的噪声，测量时间为450s。图2中信号1(图2中最上面的信号)为无稳频时传统分束合束式光谱中的噪声信号，图2中信号2(图2中中间的信号)为无稳频时具体实施例1的噪声信号，对比两组数据可知，传统分束合束式光谱中的振动噪声在反射式集成装置中得到了明显的抑制，无稳频时具体实施例1的噪声信号的缓慢变化是激光光源频率漂移的显著特征。图2中信号3(图2中最下面的信号)为稳频后具体实施例1的噪声信号，对比图2中的信号2可知，在利用原子光谱进行频率稳定之后，噪声信号中由频率漂移产生的慢变也得到了有效的抑制。因此，使用反射式集成装置，稳频光谱的稳定性得到了显著的提高，与传统分束合束式光谱相比，其噪声信号标准差降低了约3倍。

[0036] 以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

[0037] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

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