一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法

摘要

本发明涉及激光器的频率稳定技术，具体为一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法。解决了目前激光频率锁定技术中存在锁定带宽较窄，达不到锁定需要的失谐量的技术问题。本发明有效解决了现有激光稳频技术中受多普勒频移影响使激光稳定度受到限制和采用饱和吸收光谱锁频中锁定带宽受到限制的问题，同时解决了多数激光稳频方法中需要对激光器进行调制而引起的残余调制的影响。使用温度和磁场可以有效控制锁定位置的失谐。本发明适用于研究高分辨率原子光谱、激光冷却和俘获原子实验、原子和介质界面相互作用研究、偏频锁定激光器等领域。本发明的小型化实验装置和微弱光强可以满足商用技术推广的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器的频率稳定技术，具体为一种采用气固界面亚多普勒反射光谱 偏频稳频装置及方法。

背景技术

窄线宽激光器作为现代科学技术的重要标志之一，在精密测量、光频标、激光通 信、激光陀螺、激光雷达的诸多领域得到了广泛的应用。在这些应用领域中，激光频率稳定 度是一个极为重要的指标参数。随着激光应用的发展，激光稳频技术成为激光科学研究的 重要内容，在现代科学技术中发挥着至关重要的作用。激光器在受到周围环境和自身因素 的影响时，如激光器腔长、载流子浓度、温度、机械振动和工作电流漂移等会导致输出频率 的不稳定。目前，比较实用的稳频技术主要有吸收线稳频、法布里-珀罗腔稳频、外腔光反馈 稳频等。原子和分子吸收线提供了稳定的频率标准，广泛应用于科学实验领域，传统的绝对 频率稳定方法通常采用高分辨的饱和吸收光谱技术。对于产生色散型的频率鉴别信号需要 利用锁相放大器进行相敏探测，这样会对激光器引入附加的频率和强度噪声，对某些应用 这种噪声引入是不可接受的。于是人们发展了基于原子吸收线的无调制稳频技术，如调制 转移稳频技术、偏振光谱稳频技术等，这些技术手段利用原子的多普勒吸收线或无多普勒 吸收线作为频率参考，在需要特定的小失谐偏频锁定时，多普勒吸收线虽然有大的频率锁 定带宽，但反馈信号的电压-频率比比较小，而无多普勒吸收线频率锁定虽然锁定精度高， 但锁定带宽较窄，达不到锁定需要的失谐量。因此，若能部分消除多普勒增宽，不但能提高 锁定精度，还能有效扩展锁定带宽。基于此，为了解决现有激光稳频技术中受多普勒增宽影 响或小的锁定带宽限制的问题，发明一种全新的亚多普勒锁频技术成为必然。

发明内容

本发明为解决目前激光频率锁定技术中存在锁定带宽较窄，达不到锁定需要的失 谐量的技术问题，提供一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置及方法。

本发明所述的一种采用气固界面亚多普勒反射光谱偏频稳频装置是采用以下技 术方案实现的：一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频装置，包括激光器及其驱 动装置，激光器的出射光路上顺次设有半波片和第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的 反射光路上设有内充碱金属原子蒸汽的蒸汽池；蒸汽池与第一偏振分光棱镜的反射光路对 应的入射面设有楔形反射面；楔形反射面的水平面部分位于外侧且与第一偏振分光棱镜的 反射光路垂直；楔形反射面的斜面部分位于内侧，楔形反射面的斜面部分的反射光路上设 有全反镜；全反镜的反射光路上顺次设有四分之一波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分 光棱镜的反射光路上设有第一光电探测器，第二偏振分光棱镜的透射光路上设有第二光电 探测器，第一、第二光电探测器的信号输出端共同连接有减法器；所述减法器的信号输出端 连接有比例积分电路；比例积分电路的信号输出端与激光器的驱动装置相连接；所述蒸汽 池外部环绕有磁场线圈，磁场线圈的磁场走向与第一偏振分光棱镜的反射光路走向平行。

如图1所示，工作时，激光器输出的线性偏振激光透过半波片，然后被偏振分光棱 镜分为两束，其中反射光射向蒸气池，蒸气池入射面为锲形反射面，防止锲形第一表面（即 水平面部分）的反射光与锲形第二表面（即斜面部分）的反射光重合，这样可有效提高后续 探测的灵敏度。锲形反射面的斜面部分为气固界面，蒸气池外有磁场线圈（线圈可以有多 个），通过磁场使碱金属原子蒸汽产生法拉第效应。在偏离原子共振时，色散特性相较于吸 收特性有更强的控制地位。这使得无吸收信号的偏共振区域激光频率锁定成为可能。法拉 第效应是一种磁光效应，是在介质内光波与磁场的一种相互作用。当线偏振光在介质中传 播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度ψ与磁 感应强度B成正比，即ψ正比于V和B的乘积，比例系数V称为费尔德常数，与介质性质及光波 频率有关。这个效应是来源于塞曼频移的介质中的双折射现象。当一个外加磁场作用在原 子蒸汽上时，在塞曼效应下，（左旋光）和（右旋光）共振跃迁频率朝相反方向移动，折 射系数也会发生不同的改变。由于线偏光可以考虑为两个圆偏振光的叠加，在有效光程范 围内，这两种光的偏振变化将会产生一个夹角，使气固界面反射光谱产生分裂，调节线圈磁 场大小可调节后续的锁定带宽。气固界面反射光谱经一全反镜反射并被第二偏振分光棱镜 分成两束，全反镜与第二偏振分光棱镜之间放置一四分之一波片，四分之一波片和第二偏 振分光棱镜的组合可分离分裂的反射光谱中的左旋光和右旋光信号，左旋光和右旋光信号 分别由第一、第二光电探测器探测并通过减法器相减，即可获得无调制的鉴频信号，鉴频信 号经过比例积分电路送入激光器驱动装置，进行激光器频率锁定。

进一步的，还包括位于第一偏振分光棱镜透射光路上的饱和吸收光谱装置，饱和 吸收光谱装置的出射端设有第三光电探测器，第三光电探测器的信号输出端连接有示波 器；所述减法器的另一个信号输出端也与示波器相连接。

透射光经饱和吸收光谱装置被光电探测器记录，此记录信号为蒸气池无多普勒饱 和吸收光谱。旋转半波片能调节反射和透射光的强度比例。

鉴频信号可以分成两路，一路输入至比例积分电路，另一路由示波器记录与饱和 吸收光谱作对比，如图2所示即为示波器所显示的图像，从图中可以看到本发明的第一个显 著优势：可以大范围失谐。图2显示的就是本发明所获得的反射谱法拉第效应，从图2中可以 看到其偏离饱和吸收光谱较大范围，图中的每一个峰都可以作为一个锁定位置。根据图2可 以看到，使用本发明所述方法可以将激光锁定偏离原子吸收线3个GHz甚至更大失谐的位 置。另外还可以看到这种锁频方式不需要引入额外的调制信号，消除了残余幅度调制。

本发明的第二个优势是低功率。用于法拉第效应反射谱稳频的激光功率可以小至 几百纳瓦，这对功率要求苛刻的实验是一个很大的优势。

本发明的第三个优势：在上述反射光谱的过程中，形成反射信号的碱金属原子是 位于锲形玻璃表面波长量级范围内的原子层，由于这层原子与玻璃表面有强烈的范德瓦尔 斯相互作用，因此成为运动速度极慢的原子，多普勒展宽小于无束缚原子的多普勒展宽，而 大于饱和吸收光谱中被选择的零速度原子的无多普勒展宽。从而形成谱线半宽在50- 100MHz的亚多普勒展宽线型。基于此，与现有激光稳频技术相比，本发明所述气固界面原子 反射光谱无调制偏频稳频装置既有效解决了现有激光稳频技术中需要复杂的调制解调装 置，也解决了某些应用中需要稳频系统有一定锁定带宽的问题。

进一步的，蒸汽池的外部包覆有加热炉，加热炉上与第一偏振分光棱镜的反射光 路对应的位置处开有入射孔。

蒸气池外有一加热炉，可使蒸气池内原子密度达到实验要求（饱和蒸汽压约10^-3Torr），加热炉前段有一入射孔，入射孔可保证参考池内气体不凝结于气固介质表面。入射 孔的大小以及位置可以保证入射光和反射光不受影响。

综合上述内容，本发明的第四个优势是，锁频位置可调。具体可分为温度依赖锁频 和磁场依赖锁频。

1、通过加热炉实现温度控制锁频位置。如图3所示，横坐标是蒸汽池温度，纵坐标 是一个锁定点随温度的失谐量。随着温度的升高，失谐会越来越大。

2、通过调节磁场线圈的磁场强度实现磁场控制锁频位置。如图4所示，横坐标是磁 场强度，纵坐标是一个锁定点随磁场强度的失谐量。随着磁场的增强，失谐会越来越大。

图5为本发明所述的锁定效果示意图。由图5可以看出，本发明所述的装置及方法 其锁定效果非常好。

本发明所述的一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频方法是采用如下 技术方案实现的：一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频方法，包括如下步骤：激 光器出射的线偏振激光通过半波片，通过半波片后的该线偏振光经过第一偏振分光棱镜反 射后入射至内部充有碱金属原子蒸汽的蒸汽池；蒸汽池的楔形反射面的斜面作为气固界 面，气固界面处的碱金属原子在磁场线圈的作用下产生法拉第效应，使反射光谱在气固界 面产生分裂，分裂后的反射光谱经全反镜反射后又经四分之一波片及第二偏振分光棱镜分 成左旋光和右旋光，第一、第二光电探测器分别采集左旋光和右旋光并将其转换为相应的 电信号，减法器将上述两路电信号相减获得鉴频信号，该鉴频信号分为两路，其中一路输入 至比例积分电路并经过运算后送入驱动装置，实现激光器的频率锁定；经过第一偏振分光 棱镜透射后的激光经饱和吸收光谱装置后被第三光电探测器采集并由示波器记录，此记录 信号作为无多普勒饱和吸收光谱；鉴频信号的另一路由示波器记录并与饱和吸收光谱作对 比。

本发明有效解决了现有激光稳频技术中受多普勒频移影响使激光稳定度受到限 制和采用饱和吸收光谱锁频中锁定带宽受到限制的技术问题，同时解决了多数激光稳频方 法中需要对激光器进行调制而引起的残余调制的影响。使用温度和磁场可以有效控制锁定 位置的失谐。

本发明适用于研究高分辨率原子光谱、激光冷却和俘获原子实验、原子和介质界 面相互作用研究、偏频锁定激光器等领域。本发明可以实现小型化实验装置，且采用微弱光 强就可以实现；这两项优点可以满足商用技术推广的要求。

附图说明

图1本发明所述装置的结构示意图。

图2示波器所显示的饱和吸收光谱及法拉第效应所产生的反射光谱示意图。

图3温度控制锁频位置的示意图。

图4磁场控制锁频位置的示意图。

图5本发明所述方法的锁定效果示意图。

图6本发明所述蒸汽池及其配套装置的局部放大结构示意图。

1-激光器，2-半波片，3-第一偏振分光棱镜，4-饱和吸收光谱装置，5-第三光电探 测器，6-蒸汽池，7-磁场线圈，8-全反镜，9-四分之一波片，10-第二偏振分光棱镜，11-第一 光电探测器，12-第二光电探测器，13-减法器，14-比例积分电路，15-示波器，16-加热炉；

61-楔形反射面，62-楔形反射面入射光，63-楔形反射面反射光。

具体实施方式

一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频装置，包括激光器1及其驱动装 置，激光器1的出射光路上顺次设有半波片2和第一偏振分光棱镜3，第一偏振分光棱镜3的 反射光路上设有内充碱金属原子蒸汽的蒸汽池6；蒸汽池6与第一偏振分光棱镜3的反射光 路对应的入射面设有楔形反射面61；楔形反射面61的水平面部分位于外侧且与第一偏振分 光棱镜3的反射光路垂直；楔形反射面61的斜面部分位于内侧，楔形反射面61的斜面部分的 反射光路上设有全反镜8；全反镜8的反射光路上顺次设有四分之一波片9和第二偏振分光 棱镜10；第二偏振分光棱镜10的反射光路上设有第一光电探测器11，第二偏振分光棱镜10 的透射光路上设有第二光电探测器12，第一、第二光电探测器的信号输出端共同连接有减 法器13；所述减法器13的信号输出端连接有比例积分电路14；比例积分电路14的信号输出 端与激光器1的驱动装置相连接；所述蒸汽池6外部环绕有磁场线圈7，磁场线圈7的磁场走 向与第一偏振分光棱镜3的反射光路走向平行。

还包括位于第一偏振分光棱镜3透射光路上的饱和吸收光谱装置4，饱和吸收光谱 装置4的出射端设有第三光电探测器5，第三光电探测器5的信号输出端连接有示波器15；所 述减法器13的另一个信号输出端也与示波器15相连接。

蒸汽池6的外部包覆有加热炉16，加热炉16上与第一偏振分光棱镜3的反射光路对 应的位置处开有入射孔。

所述蒸汽池6内充铷原子蒸汽。

一种采用气固界面亚多普勒反射光谱的偏频稳频方法，包括如下步骤：激光器1出 射的激光通过半波片2转换为线偏振光，该线偏振光经过第一偏振分光棱镜3反射后入射至 内部充有碱金属原子蒸汽的蒸汽池6；蒸汽池6的楔形反射面61的斜面作为气固界面，气固 界面处的碱金属原子在磁场线圈7的作用下产生法拉第效应，使反射光谱在气固界面产生 分裂，分裂后的反射光谱经全反镜8反射后又经四分之一波片9及第二偏振分光棱镜10分成 左旋光和右旋光，第一、第二光电探测器分别采集左旋光和右旋光并将其转换为相应的电 信号，减法器13将上述两路电信号相减获得鉴频信号，该鉴频信号分为两路，其中一路输入 至比例积分电路14并经过运算后送入驱动装置，实现激光器1的频率锁定；经过第一偏振分 光棱镜3透射后的激光经饱和吸收光谱装置4后被第三光电探测器5采集并由示波器15记 录，此记录信号作为无多普勒饱和吸收光谱；鉴频信号的另一路由示波器15记录并与饱和 吸收光谱作对比。

如图6所示，楔形反射面61有两个反射面，水平面和斜面部分；其中斜面部分作为 气固界面，并且可以保证反射的光（楔形反射面反射光63）不会与水平面的反射光（楔形反 射面入射光62）重合，有利于提高锁频的灵敏度。

本发明的技术特点：

1、大失谐可控（磁场、温度可控制锁定点）；

2、高分辨，无调制；

3、采用微小厚度介质，可向微型化发展；

4、弱光只需几百nw的反射光就可以完成稳频。