量子标准激光功率计及激光功率测量方法

摘要

本发明提供一种量子标准激光功率计，包括：功率待测激光器，能将待测激光的频率锁定；量子频率标准，由能级之间量子跃迁波长与待测激光波长相差不超过±100nm的原子、分子或离子构建；所述功率待测激光器能够将待测激光器发出的待测激光引入量子频率标准。还提供了一种量子标准激光功率计的实现方法，其步骤包括：1）将功率待测激光器发出的待测激光的频率锁定；2）将频率锁定的功率待测激光器发出的部分待测激光引入到量子频率标准；3）利用量子频率标准产生的光频移，测量出待测激光的平均光强，通过标定得到待测激光功率。本发明通过精密测量光频移，通过确定理论关系，测量出待测激光光强，并得到相应的激光功率，其相对准确度可以优于10-7量级。

说明书

技术领域

本发明属于激光与量子频率标准技术领域，涉及一种利用原子频率标准测量在激光作用 下产生的原子光频移来精密测量激光功率的计量仪器及激光功率测量方法。

背景技术

目前的光功率计和激光功率计基本都是基于光电二极管这种光电转换器件来实现对光功 率的测量和标定。包括目前国际基本单位中光源的发光强度单位坎德拉的定义，也是依靠光 电转换器件测量光功率来实现，其测量的不确定度目前只有10^-4量级。

另一方面，在量子频率标准（能利用量子跃迁频率产生标准频率信号用来进行频率和时 间测量的计量装置），即原子钟方面，频率值的测量稳定度和不确定度已经到了10^-18量级。 在量子频率标准系统里，原子钟的跃迁频率受到外界光辐射时会产生频率移动，被称为光频 移。这种光频移与外界所加激光光强具有确定关系。

原子与相应波长的电磁波相互作用产生的谱线中心频率v0，决定于原子量子跃迁的上、 下两能级的能量差Em－En=hv0，在此，h是普朗克常数。因为原子的内部状态不易受外界环境 因素干扰，所以其跃迁频率具有高度稳定性，用于实现量子频率标准，即原子钟。

量子频率标准基本可分为被动型和主动型两种。

①被动型量子频率标准：依靠外加电磁波激励使原子产生能级跃迁谱线来锁定的量子频 率标准。按这种被动型方式工作的典型频标有铯原子束频标，光抽运铷气泡频标等。

②主动型量子频率标准：直接由被泵浦到激发态形成粒子布居数反转的原子系统在谐振 腔的反馈下产生的受激发射的振荡信号为标准频率源。被称为主动氢钟的氢原子激射振荡器 频标是这类的典型。

激光频率梳问世以后，已经出现了多种利用钙、锶、汞等原子及离子的可见光波段的吸 收谱线来稳定激光频率的方法，即近年来迅速发展起来的光钟，最好的光钟频率值的测量稳 定度和不确定度已经到了10^-18量级。

量子频标或原子钟的主要性能指标是频率稳定度和准确度。频率稳定度指在一定的取样时间 内，每次取样时间内的平均频率之间的相对数值变化程度，可分为短期(取样时间一天以下) 和长期(取样时间一天以上)稳定度。频率准确度有称为不确定度，指输出频率偏离标称频率 的程度，也用相对偏差表示。参考书目：P.Kartaschoff，Frequency and Time，Academc Press， New York，London，San Francisco，1978；王义遒等著：《量子频标原理》，科学出版社， 北京，1985；刘金铭、翟造成编：《现代计时学概论》，上海科学技术文献出版社，上海， 1980。）

但是，目前已有文献资料中从来没有关于利用量子频率标准提高和实现激光功率计的测 量精度的记载。

发明内容

为解决现有激光功率计测量不确定度低的问题，本发明的目的在于利用原子钟的超高精 度频率测量优越性，提供一种量子标准激光功率计及激光功率测量方法。通过精密测量与外 界所加激光光强具有确定关系的光频移，从而测量出所加激光光强，并得到相应的激光功率， 实现一种量子激光功率计，其相对准确度可以优于10^-7量级。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种量子标准激光功率计，其包括：

一功率待测激光器，用以将待测激光的频率锁定；

一量子频率标准，由能级之间量子跃迁波长与待测激光波长相差不超过±100nm的原子、 分子或离子构建；

所述功率待测激光器将待测激光器发出的待测激光引入量子频率标准。

进一步地，所述量子频率标准为主动型或被动型。

进一步地，所述量子频率标准为一微波段量子铷原子频率标准，其包括一铷87无极灯， 一铷85滤光泡，一磁屏蔽罩，一铷87钟泡，一滤光片，一探测器，一伺服电路，一射频发 生器及一输出显示器。

进一步地，所述滤光片用以滤除待测激光。

进一步地，所述功率待测激光器为一功率待测795nm激光器，包括一铷85汽泡，一铷 85饱和谱探测器，一饱和谱锁频电路及若干分光镜和反射镜。

进一步地，所述功率待测激光器还可以选自功率待测780nm激光器、功率待测421nm激 光器或功率待测420nm激光器。

进一步地，所述量子频率标准还可以由其他能级之间量子跃迁波长与待测激光波长接近 的原子、分子或离子构建；如铯原子852nm波长、锶原子461nm波长、碱土金属钙423nm 你喔长、碘分子532nm波长、钙离子7229nm波长等。

本发明还提供了一种应用前述量子标准激光功率计的激光功率测量方法，其步骤包括：

1）将功率待测激光器发出的待测激光的频率锁定；

2）将频率锁定的功率待测激光器发出的部分待测激光引入到量子频率标准；

3）利用量子频率标准产生的光频移，测量出待测激光的平均光强，通过标定得到待测激 光功率。

本发明利用了原子钟的超高精度频率测量准确性，通过精密测量原子钟受外界所加激光 光强引起的光频移，通过确定理论关系，从而测量出待测激光光强，并得到相应的激光功率， 实现一种量子标准激光功率计，其相对准确度可以优于10^-7量级。

本发明的有益效果是：第一，把光功率的测量按原子谱线的光频移理论转换为目前国际 上准确度最好的频率测量，极大地提高了光强测量的灵敏度，还可以通过各种标定技术得到 光功率，实现光功率的量子测量和标准；第二，目前原子钟的频率稳定度已经到了10^-18量级， 将待测功率的激光所引起的光频移锁定在另一个高性能原子钟上，就可以实现对激光功率 10^-7量级甚至更好的功率稳定度。

附图说明

图1，本发明实施例结构示意图。

图中：1-铷87无极灯；2-铷85滤光泡2；3-分光镜；4-铷87钟泡；5-滤光片；6-探测器； 7-伺服电路；8-射频微波发生器；9-输出显示器；10-磁屏蔽罩；11-功率待测795nm激光器； 12-饱和谱锁频电路；13-铷85汽泡；14-铷85饱和谱探测器；31-分光镜；32-分光镜；33-反 射镜。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说 明如下。

图1为本发明一种量子标准激光功率计的实施例结构示意图。该量子标准激光功率计包 括：一微波段量子铷原子频率标准，其包括铷87无极灯1，铷85滤光泡2，磁屏蔽罩10， 铷87钟泡4，滤光片5，探测器6，伺服电路7，射频微波发生器8，输出显示器9。一功率 待测795nm激光器11，其包括铷85汽泡13，铷85饱和谱探测器14，饱和谱锁频电路12， 分光镜32、31、3，和反射镜33。

在量子标准激光功率计中的一个微波段量子铷原子频率标准，其铷87无极灯1所发射的 荧光，通过铷85滤光泡2滤光后，进入到磁屏蔽罩10中的铷87钟泡4上与铷原子相互作用， 出来后经过滤光片5进入探测器6上产生电信号，滤光片5能够滤除待测激光，从未不影响 微波段量子铷原子频率标准的正常工作。探测器6上产生电信号经过伺服电路7来控制射频 微波发生器8产生的与原子泡4中原子相互作用的频率，将射频微波发生器8产生的射频微 波频率锁定在原子泡4中原子的基态能级之间的微波频率上，同时在频率输出显示器9上显 示出给用户的原子钟标准频率。功率待测795nm的激光器11通过铷85汽泡13得到铷85饱 和谱并在探测器14上得到误差信号，此误差信号经过饱和谱锁频电路12反馈给795nm的激 光器11将其频率锁定在铷85的原子谱线上，具体地，利用铷85汽泡所产生的饱和谱，将功 率待测激光器频率锁定在铷85的基态5S（F=2）到5P_1/2（F’=2）谱线上；光路上的分光镜 32、31、3，和反射镜33分别用于795nm的激光光束的分光和反射。通过前述分光镜32、31、 3和反射镜33的引导，待测激光能够引入铷87钟泡。

当功率待测795nm的激光器输出的激光没有进入铷87钟泡4时，输出显示器9输出的原 子钟标准频率对应着零激光功率。一旦待测795nm的激光器输出的激光有一定功率进入铷87 钟泡4，输出显示器9输出的原子钟标准频率将显示出偏离原子钟标准频率的光频移，这个 显示的光频移值对应着待测795nm激光的激光功率。这样就利用了原子钟的超高精度频率测 量准确性，准确测量到795nm激光光强引起的光频移，通过已有确定理论关系计算，从而测 量出待测795nm激光光强，由光束空间分布得到相应的激光功率，实现一种量子标准激光功 率计，其相对准确度可以优于10^-7量级。

上述微波段量子铷原子频率标准通过输出显示器9显示待测激光引起的光频移的频率变 化相对值，并可以通过标定，直接输出待测确定频率的待测激光功率值。

上述待测795nm激光器11带有其自已的电流、温度、压电扫描控制电路，用于激光稳频 等，所用的激光电流、温度控制、稳频电路均为本领域公知技术，因此不再赘述。

必须注意，上述的本发明最主要的特点和优越性能把光功率的测量按原子谱线的已知明 确光频移理论关系转换为目前国际上准确度最好的频率测量技术可以测量的量，提高了光强 测量的灵敏度，并可以通过已有光度计相关的各种标定技术得到光功率，实现光功率的量子 测量和标准。此外，目前原子钟的频率稳定度已经到了10^-18量级，将待测功率的激光所引起 的光频移锁定在另一个高性能原子钟上，还可以可以实现对激光功率10^-7量级甚至更好的功 率稳定。

上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，本 发明适用铷原子、铯原子等碱金属原子等对应的基态与第一、第二激发态之间的跃迁能级来 实现量子标准激光功率计，也适用于碱土金属钙、锶原子，气体原子氦、氖等以及具有与待 测激光波长接近的分子离子来实现。例如，使用铯原子构建相应的量子频率标准能够可以测 量具有波长为455nm、459nm、852nm及894nm的待测激光，利用氦原子可以测量与原子跃 迁谱线1083nm接近的1064nm等波长激光的功率，其量子频率标准的实现及构建方式，与构 建量子频率标准的原子、分子或离子具有的能级之间量子跃迁波长接近（即相差不超过± 100nm）的相应待测激光波长等数据，均为已经公知的现有技术，为本领域技术人员所熟知， 因此不再赘述。本领域技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能 使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。因此，本发明的保护范围已权利要 求书所限定者为准。