相干双色光源装置及相干双色光的生成方法

摘要

本发明公开了一种相干双色光源装置，阵列基底、由直流信号驱动的第一激光管以及由微波信号和直流信号耦合成的调制信号驱动的第二激光管，第一激光管和第二激光管固定在阵列基底上，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有半波片、双折射晶体、第一四分之一波片、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。本发明的相干双色光源装置不仅能生成线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源，从而提高相干布居囚禁信号的质量，进而提高CPT原子钟输出频率的稳定度，而且结构简单、成本低、体积小。本发明还公开了一种相干双色光的生成方法。

说明书

技术领域

本发明涉及被动型相干布居囚禁原子钟领域，尤其涉及一种相干双色光源生 成装置及相干双色光的生成方法。

背景技术

被动型CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)原子钟是一种 提供高稳定度、高准确度频率信号的设备，它可满足导航、精确定位、精密计 时和精密测量等众多应用的要求。而且，被动型CPT原子钟具有体积小、功耗 低、重量轻、启动快和可微型化等诸多特点，因而原子钟可应用于导航、通信、 导弹制导、卫星控制、电网调节和电子学仪器设备等技术领域。

CPT原子钟的原理为：两种不同频率的激光场与三能级原子体系作用，如 果这个两个激光的频率差等于原子两个基态超精细结构之间间隔，且满足双光 子共振条件，则基态的两个子能级就被相干地耦合起来，子能级上的原子不再 从两个激光场中吸收光子，不会被激发到激发态，即原子被囚禁在基态的两个 子能级上。当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中 的透射强度呈现为电磁诱导透明信号，由于电磁诱导透明信号经过处理后可作 为误差信号将晶体振荡器的输出频率锁定在原子基态超精细子能级间隔上。

CPT原子钟中重要的组成部分是物理单元，物理单元包括光源、原子气室 和光电探测器。光源生成器产生的激光信号通过原子气室与内部的原子气体作 用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚禁信号。

现有的光源包括激光管和四分之一波片，激光管的输入端连接有电流驱动 电路。工作时，电流驱动电路输出直流信号和微波信号耦合后驱动和调节激光 管输出所需的激光信号，所述激光信号通过四分之一波片输出左旋或右旋圆偏 振光与原子气室内部的原子气体作用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚 禁信号。

然而，现有光源输出的是左旋或右旋圆偏振光，当左旋或右旋圆偏振光作 用于原子气室中的原子气体时，由于光抽运效应会使大量原子分布到磁量子数 最小或最大的能级，而原子钟跃迁需要的两个磁量子数为零的能级上的布居数 很少。此外，现有光源产生的调频多色激光束中主要是±1级频率边带参与CPT 过程，其他无用的频率边带作为背景光造成获得的相干布居囚禁信号的对比度 很低，从而影响了晶体振荡器输出频率的稳定度。

因此，有必要提供一种相干双色光源装置来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种相干双色光源生成装置及相干双色光的生成方 法，不仅能生成线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源，从而提高相 干布居囚禁信号的质量，进而提高CPT原子钟输出频率的稳定度，而且结构简 单、成本低、体积小。

为了实现上述目的，本发明提供了一种相干双色光源装置，包括阵列基底、 由直流信号驱动的第一激光管以及由微波信号和直流信号耦合成的调制信号驱 动的第二激光管，第一激光管和第二激光管固定在阵列基底上，沿第一激光管 发射的激光束的出射方向依次设置有半波片、双折射晶体、第一四分之一波片、 平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。

较佳地，半波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角 为45°。

较佳地，双折射晶体的光轴方向与双折射晶体的表面的夹角为45°。

较佳地，双折射晶体的厚度d满足公式：其中，L为第一激 光管和第二激光管的光中心的距离，n_e和n_o分别为非寻常光和寻常光在双折射 晶体中传播的折射率。

较佳地，双折射晶体为钕钒酸钇晶体，第一激光管和第二激光管为垂直腔面 发射激光管。

较佳地，第一四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振 方向的夹角为45°，第二四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束 的偏振方向的夹角为45°。

较佳地，第一激光管发出的激光束垂直于平面部分反射镜的表面入射。

较佳地，平面部分反射镜的透射率与反射率的比值为(93±3)∶(7μ3)。需要 说明的是，平面部分反射镜的透射率与反射率之和为100。

相应地，本发明还提供一种相干双色光源的生成方法，包括：(1)获取单 色水平线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束；(2)将单色水平线偏振激 光束转变为单色垂直线偏振激光束，并与调频水平线偏振激光束合束；(3)将 单色垂直线偏振激光束转变为单色左旋圆偏振激光束，并将调频多色水平线偏 振激光束转变为调频多色右旋圆偏振激光束；(4)将一部分单色左旋圆偏振激 光束反射，并将反射的单色左旋圆偏振激光束转换为单色水平线偏振激光束后 注入调频多色水平线偏振激光束中，同时将一部分调频多色右旋圆偏振激光束 反射，并将反射的调频多色右旋圆偏振激光束转换为调频多色水平线偏振激光 束后注入单色水平线偏振激光束；(5)将经过互相注入锁定后获得的透射的单 色左旋圆偏振激光束和透射的调频多色右旋圆偏振激光束分别转换为单色垂直 线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束，得到偏振方向相互垂直的相干双 色激光束。

较佳地，透射的单色左旋圆偏振激光束与反射的单色左旋圆偏振激光束的 比值为(93±3)∶(7μ3)，透射的调频多色右旋圆偏振激光束与反射的调频多色右 旋圆偏振激光束的比值为(93±3)∶(7μ3)。

与现有技术相比，一方面，本发明得到的光源的线偏振方向是相互垂直的 且线偏振光可以分解为左旋和右旋圆偏振光的叠加，左旋和右旋圆偏振光产生 的抽运效应可以相互抵消，当偏振方向相互垂直的线偏振双色光与原子作用时， 会使大量原子布居到磁量子数为零的能级上即原子大量布居在原子钟需要的钟 跃迁态上，从而可得到高质量的CPT信号。另一方面，本发明的两个激光管通 过平面部分反射镜的反射光进行互相注入锁定，大幅度减少了调频光中不参与 CPT过程的其他边带的光强，从而，能够获得纯度较高的近似相干双色光，纯 度较高的相干双色光作用于原子气室中的原子气体时，可改善CPT信号的质量。 再一方面，本发明的光源装置中采用了两只激光管裸管且本发明的光源装置中 的光学器件都适合集成，因而，可大大降低成本并实现微型化。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本 发明的实施例。

附图说明

图1为本发明相干双色光源装置的结构示意图。

图2为图1中第一激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。

图3为图1中第二激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。

图4为本发明相干双色光源装置产生的相干双色光的拍频信号和单个激光 管受到调制信号驱动产生的多色光边带间的拍频信号的波形图。

图5为本发明相干双色光源的生成方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元 件。

如图1所示，本实施例的相干双色光源装置包括阵列基底10、由直流信号 I1驱动的第一激光管11和由微波信号和直流信号耦合成的调制信号I2驱动的第 二激光管12、半波片13、双折射晶体14、第一四分之波片15、平面部分反射 镜16和第二四分之一波片17。半波片13、第一四分之一波片15、平面部分反 射镜16和第二四分之一波片17沿第一激光管11发射的激光束的出射方向依次 设置，双折射晶体14的上端设置在半波片13和第一四分之一波片15之间，双 折射晶体14的下端与第二激光管12相对。优选地，第一激光管11和第二激光 管12均为垂直腔面发射激光管，双折射晶体14为钕钒酸钇晶体。

具体地，半波片13的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向 的夹角为45°。双折射晶体14的光轴方向与双折射晶体14的表面的夹角α为45 °。双折射晶体14的厚度d满足公式：其中，L为第一激光管 11和第二激光管12的光中心的距离，n_e和n_o分别为非寻常光和寻常光在双折 射晶体14中传播的折射率，可通过晶体的技术手册获得。第一四分之一波片15 的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分 之一波片17的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向的夹角为45 °。第一激光管11发出的激光束垂直于平面部分反射镜16的表面入射。平面 部分反射镜16的透射率与反射率的比值为93∶7。

图2为第一激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。如图2所示，第一激 光管11在直流信号I1的驱动下发射出单色水平线偏振激光束a1，旋转半波片13 使光轴方向与水平方向夹角为45°，单色水平线偏振激光束a1经过半波片13转 变为单色垂直线偏振激光束a2。单色垂直线偏振激光束a2在双折射晶体14中传 播时，传播方向不发生改变，因而，从双折射晶体14出射时仍为单色垂直线偏 振激光束a2。旋转第一四分之一波片13的角度，使光轴方向与水平方向夹角为 45°，单色垂直线偏振激光束a2经过第一四分之一波片13后变为单色左旋圆偏 振激光束a3。单色左旋圆偏振激光束a3被透射率∶反射率为93∶7的平面部分反射 镜16分为透射的单色左旋圆偏振激光束a4和反射的单色左旋圆偏振激光束a5。 旋转第二四分之一波片17使光轴方向与水平方向夹角为45°，透射的单色左旋 圆偏振激光束a4经过第二四分之一波片17重新变为输出的单色垂直线偏振激光 束a6。反射的单色左旋圆偏振激光束a5再次经过第一四分之一波片13后变为注 入单色水平线偏振激光束a7。由于双折射晶体14的双折射特性，注入单色水平 线偏振激光束a7在进入双折射晶体14中时发生一次折射，因而，注入单色水平 线偏振激光束a7在双折射晶体14中的传播方向与水平方向的夹角为 当单色水平线偏振激光束a7在透射出双折射晶体14时又发生一次 折射，这样，从双折射晶体14中透射出的注入单色水平线偏振激光束a7的传播 方向再次改变回来，成为注入水平线偏振激光束a8，注入水平线偏振激光束a8 能够正好注入到第二激光管12中。

图3为第二激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。如图3所示，第二激 光管在由微波信号和直流信号耦合而成的调制信号I2的驱动下发射出调频多色 水平线偏振光b1。调频多色水平线偏振光b1在进入双折射晶体14时发生一次折 射，因而，调频多色水平线偏振光b1在双折射晶体14中的传播方向与水平方向 的夹角为当调频多色水平线偏振光b1在透射出双折射晶体14中时 又发生一次折射，这样，从双折射晶体14中透射出的新的调频多色水平线偏振 光b2的传播方向再次改变回来，沿水平方向传播。新的调频多色水平线偏振光 b2经过第一四分之一波片15后变为调频多色右旋圆偏振激光束b3。调频多色右 旋圆偏振激光束b3被透射率∶反射率为93∶7的平面部分反射镜16分为透射的调频 多色右旋圆偏振激光束b4和反射的调频多色右旋圆偏振激光束b5。透射的调频 多色右旋圆偏振激光束b5经过第二四分之一波片17重新变为输出的调频多色水 平线偏振激光束b6。反射的调频多色右旋圆偏振激光束b5再次经过第一四分之 一波片13后变为注入调频多色垂直线偏振激光束b7。注入调频多色垂直线偏振 激光束b7在双折射晶体14中的传播方向不会改变，沿着原来的光路返回。注入 调频多色垂直线偏振激光束b7透射过双折射晶体14后方向成为注入垂直线偏振 激光束b8。注入垂直线偏振激光束b8经过半波片13变为注入水平线偏振激光束 b9，注入到第一激光管11中。

如上所述，第一激光管11和第二激光管12通过平面部分反射镜16的反射光形 成互注入。第二激光管12的驱动电流受到的微波调制较浅，输出的激光包含多 个等间隔的频率边带，其中载波的功率为总光强光功率的90％。调节直流信号I1 使第一激光管11输出的激光频率和第二激光管12的+1级光边带的频率重合，则 第一激光管11输出的激光和第二激光管12的+1级光边带形成同差锁定，第一激 光管11的激光和第二激光管12的载波形成频差为微波频率的异差锁定。透射过 平面部分反射镜16的输出光中主要包含第一激光管11的激光和第二激光管12的 载波，这样就获得了偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光。

为了判断获得的双色光的相干性，可将输出的光经过一个偏振片，旋转偏 振片的角度使第一激光管11与第二激光管12透射过偏振片的激光功率之比为 15∶1。然后用高速光电探测器将获取的双色光的拍频信号送入频谱仪观察。如图 4所示，X1为第二激光管12发出的多色光边带间的拍频信号，X2为锁定后第 一激光管11和第二激光管12发出的激光束合束后的拍频信号，我们看到后者 的信噪比比前者高出约近30dB，证明我们的装置确实获得了高纯度、高相干性 的双色光束。图5为本发明的相干双色光的生成方法的流程图。本发明相干双 色光的生成方法包括如下步骤：

步骤S1，获取单色水平线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束；

步骤S2，将单色水平线偏振激光束转变为单色垂直线偏振激光束并与调频 多色水平线偏振激光束合束；

步骤S3，将单色垂直线偏振激光束转变为单色左旋圆偏振激光束，将调频 多色水平线偏振激光束转变为调频多色右旋圆偏振激光束；

步骤S4，将一部分单色左旋圆偏振激光束反射，并将反射的单色左旋圆偏 振激光束转换为单色水平线偏振激光束后注入调频多色水平线偏振激光束中， 同时将一部分调频多色右旋圆偏振激光束反射，并将反射的调频多色右旋圆偏 振激光束转换为调频多色水平线偏振激光束后注入单色水平线偏振激光束；

步骤S5，将经过互相注入锁定后获得的透射的单色左旋圆偏振激光束和透 射的调频多色右旋圆偏振激光束分别转换为单色垂直线偏振激光束和调频多色 水平线偏振激光束，得到偏振方向相互垂直的相干双色激光束。

具体地，透射的单色左旋圆偏振激光束与反射的单色左旋圆偏振激光束的 比值为93∶7，透射的调频多色右旋圆偏振激光束与反射的调频多色右旋圆偏振 激光束的比值为93∶7。调频多色水平线偏振激光束中载波的功率占调频多色水 平线偏振激光束总功率的90％。

如上所述，本发明得到的光源的线偏振方向是相互垂直的且线偏振光可以 分解为左旋和右旋圆偏振光的叠加，左旋和右旋圆偏振光产生的抽运效应可以 相互抵消，当偏振方向相互垂直的线偏振双色光与原子作用时，会使大量原子 布居到磁量子数为零的能级上即原子大量布居在原子钟需要的钟跃迁态上，从 而可得到高质量的CPT信号。另一方面，本发明的两个激光管通过平面部分反 射镜的反射光进行互相注入锁定，大幅度减少了调频光中不参与CPT过程的其 他边带的光强，从而，能够获得纯度较高的近似相干双色光，纯度较高的相干 双色光作用于原子气室中的原子气体时，可改善CPT信号的质量。再一方面， 本发明的光源装置中采用了两只激光管裸管且本发明的光源装置中的光学器件 都适合集成，因而，可大大降低成本并实现微型化。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示 的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。