一种基于法拉第反常色散的微型原子滤光器及其实现方法

摘要

本发明公开了一种基于法拉第反常色散的微型的法拉第原子滤光器及其实现方法，包括：碱金属原子气室，两侧的通光孔镀有与碱金属原子吸收线对应波长的增透膜，内部充有缓冲气体；永磁铁或线圈，包裹在碱金属原子气室的周围，产生平行于光传播方向的均匀强磁场；第一、第二偏振片，分别位于碱金属原子气室的两侧且正对碱金属原子气室；两个偏振片的偏振方向相互垂直；温度控制系统，对碱金属原子气室加热同时进行保温，对温度进行探测且控温。本发明将法拉第原子滤光器的体积缩小为主流的1/1000，机械稳定性更强，适用范围更广，有望实现即插即用的功能，极大地拓宽了法拉第原子滤光器在空间通信、激光技术、量子信息、计量等领域的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及原子滤光技术和激光技术领域，尤其涉及一种基于法拉第反常色散的微型原子滤光器及其实现方法。

背景技术

基于法拉第反常色散效应的法拉第原子滤光器具有窄带宽、高透过率、高信噪比、可长期稳定运行、对外界温度不敏感的优点，适合应用于温度变化剧烈的恶劣环境，例如：野外环境。

但是，现存的法拉第原子滤光器尺寸较大，大部分气室体积大于5.3cm

除磁场限制以外，气室的体积越大，气室温度控制的难度越大。一方面，大体积原子滤光器在气室两端的通光面容易出现原子冷凝现象，导致原子滤光器无法正常工作，需要较为复杂的保温结构设计，来确保不会发生原子冷凝，这进一步增大了原子滤光器的体积，原子滤光器的体积甚至大于1dm

发明内容

本发明提供了一种基于法拉第反常色散的微型原子滤光器及其实现方法，本发明克服现存法拉第原子滤光器技术中存在的体积大的问题，提供了一种利用微型原子气室以及其对应的磁铁(或螺旋线圈)、控温装置和偏振元件实现微型法拉第原子滤光器，以及应用该原子滤光器进行滤光的方法，详见下文描述：

一种基于法拉第反常色散的微型的法拉第原子滤光器，所述法拉第原子滤光器包括：

碱金属原子气室，两侧的通光孔镀有与碱金属原子吸收线对应波长的增透膜，内部充有缓冲气体；

永磁铁或线圈，包裹在碱金属原子气室的周围，产生平行于光传播方向的均匀强磁场；

第一、第二偏振片，分别位于碱金属原子气室的两侧且正对碱金属原子气室；两个偏振片的偏振方向相互垂直；

温度控制系统，对碱金属原子气室加热同时进行保温，对温度进行探测且控温。

其中，所述温度控制系统包括：

加热模块，用于对碱金属原子气室进行加热，通过保温材料进行保温；

热敏电阻或热电偶，用于温度探测；

温度反馈控制电路，用于控温，控温精度高于0.01度。

进一步地，所述第一、第二偏振片分别用于起偏和检偏。

其中，所述永磁铁是一中空的圆柱体，在圆柱体中心产生一段长度与充有缓冲气体的气泡长度相适应的均匀强磁场。

进一步地，所述法拉第原子滤光器还包括：一外壳，用于固定碱金属原子气室、永磁铁或线圈、第一、第二偏振片及温度控制系统。

其中，所述外壳以聚氨酯泡沫保温材料作为内部填充，聚四氟乙烯材料作为外部材料。

第二方面、一种基于法拉第反常色散的微型的法拉第原子滤光器的滤光实现方法，所述方法包括：

利用设计好的外壳，将充有缓冲气体的铯原子气室、永磁铁、第一、第二偏振片组装在一起，原子气室表面的加热片和热敏电阻外接温度控制模块；

调节第一、第二偏振片的偏振方向，使两者相互正交；

升高温度，气室内铯原子吸收线在磁场的作用下发生分裂，分为两条，使得入射光中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在穿过铯原子气室后出现光程差，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加的线偏振光的偏振方向发生旋转，实现旋光；

调节温度选择最合适的工作点。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明将法拉第原子滤光器的体积缩小为主流的1/1000，机械稳定性更强，适用范围更广，有望实现即插即用的功能，极大地拓宽了法拉第原子滤光器在空间通信、激光技术、量子信息、计量等领域的应用；

2、本发明设计的微型法拉第原子滤光器更容易在碱金属原子气室范围内产生均匀的强磁场，提高原子滤光器的旋光性能；

3、由于微型原子滤光器中碱金属原子气室体积小，容易设计控温效果更好的温度控制系统，在降低功耗的同时，增强了原子滤光器对外界温度变化的抗干扰能力。

附图说明

图1为微型法拉第原子滤光器的结构示意图；

其中：1、第一偏振片；2、永磁铁或线圈；3、碱金属原子气室；4、第二偏振片；5、温度控制系统。箭头方向为光传输方向，B的方向是磁场方向。

图2为该微型法拉第原子滤光器中3mm气室范围内的磁场分布示意图；

图3为微型法拉第原子滤光器进行滤光的流程图；

图4为微型法拉第原子滤光器的一个实施效果示意图。

其中，磁场强度为1000Gs，缓冲气体压强为5托，曲线分别为不同温度下该原子滤光器的透射谱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

一种微型的法拉第原子滤光器，参见图1，该法拉第原子滤光器包括：

一个微型的碱金属原子气室3，材质为石英或玻璃，碱金属原子气室3两侧的通光孔镀有与碱金属原子吸收线对应波长的增透膜，碱金属原子气室3的内部充有缓冲气体；

一个永磁铁或线圈2，包裹在碱金属原子气室3的周围，产生平行于光传播方向的均匀强磁场；

第一偏振片1、第二偏振片4，分别位于碱金属原子气室3的两侧且正对碱金属原子气室；两个偏振片(1和4)的偏振方向互相垂直；

一个温度控制系统5，利用内部的加热模块对碱金属原子气室3进行加热，由导热系数低于0.05W/(m*K)的保温材料进行保温，温度控制系统5使用内部的热敏电阻或热电偶进行温度探测，由自带的温度反馈控制电路进行控温，控温精度高于0.01度。

进一步地，该微型法拉第原子滤光器还包括：一外壳，用于固定上述各元件(部件标号为1-5)并加强保温。

实施例2

下面结合图2和图3对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

图1为本发明实施例设计的微型法拉第原子滤光器的结构示意图。该原子滤光器由：第一偏振片1、永磁铁或线圈2、原子气室3的内部充有惰性气体的原子气泡3、第二偏振片4、温度控制系统5组成。

其中，第一偏振片1是一种偏振元件，只有激光的偏振方向与第一偏振片1的方向相同时，激光才能通过，第一偏振片1的使用波长范围内的分光比大于1000：1。第一、第二偏振片1和4的偏振方向如图1中的白色箭头所示(一个水平方向箭头，一个竖直方向箭头)，两个箭头相互正交。将第一、第二偏振片1和4分别放置在原子气室3的两端，与原子气室3的两端面平行，起到起偏和检偏的作用。

其中，本发明实施例中的碱金属原子气室3以充有惰性气体的铯原子气泡为例进行说明，具体实现时还可以选择其他类型的原子气泡，本发明实施例对此不做限制。

在温度控制系统5未升温之前，入射光在通过第一偏振片1后，将无法通过第二偏振片4。由于永磁铁2是一个中空的圆柱体，可以在圆柱体中心产生一段长度与铯原子气泡长度相适应的均匀强磁场，与现有技术中的磁场发生装置相比，该永磁铁2的结构体积小、产生的磁场强度大、均匀性好，对于提升法拉第原子滤光器的旋光性能具有重要意义。

其中，充有惰性气体的铯原子气泡3设在永磁铁2的中心位置。激光从第一偏振片1入射后，进入中空的永磁铁2，通过铯原子气泡3，最后从第二偏振片4出射。温度控制系统5自带的加热模块和温度传感器紧贴在铯原子气泡的表面，与自带的温度反馈控制电路相连，实现对铯原子气泡3的温度控制。

在上述实施例中，第一、第二偏振片1和4优选为圆形薄膜偏振片，其体积远小于其他偏振元件，也可替换为分光比更高的偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜。

进一步地，原子气泡3的材质优选为石英，其透过率高于普通玻璃。惰性气体的种类为氩气或氙气，气压优选为0.1到50托。加热模块优选为加热丝或者加热薄膜，温度传感器优选为热敏电阻或热电偶。由于微型法拉第原子滤光器中气泡长度降低为过往的原子滤光器的十分之一，为了达到相同的旋光效果，需要通过提升气室温度来增大气室内的原子密度，故原子气室3的优选工作温度范围为60-150摄氏度。

在上述实例中，利用永磁铁2可在圆柱中心产生长度为3mm的均匀强磁场，磁场强度优选为100到1200Gs，通过改变永磁铁2的内径和外径即可实现磁场强度的变化。对于磁场强度1000Gs的永磁铁，其内径为4mm，外径为28mm，圆柱长度为8mm，磁场的均匀性大于95％，原子气室范围内，沿光传播方向的磁场分布如图2所示。

实施例3

本发明实施例为了解决现存法拉第原子滤光器体积大，难以产生均匀强磁场，并且功耗大的问题，设计了一种微型的碱金属原子气室3，其外型为3mm长，直径3mm的圆筒，体积为21.2mm

基于该碱金属原子气室3，设计了一套与之匹配的磁场装置，其体积为0.98cm

气室体积缩小了250倍(由主流的5.3cm

同时，将主流法拉第原子滤光器中的偏振元件由长宽高25.4mm的立方体型偏振分光棱镜和格兰泰勒棱镜，更换为直径12.7mm、厚度为0.55mm的圆形薄膜偏振片，可以将原子滤光器的体积压缩至极限。经过多方面综合设计，微型法拉第原子滤光器的总体积为1.1cm

实施例4

一种应用上述微型法拉第原子滤光器进行滤光的实现方法，该方法包括以下步骤：

以聚氨酯泡沫保温材料作为内部填充，聚四氟乙烯材料作为外壳，设计用来包裹原子气室的外壳。利用该外壳将一微型的充有缓冲气体的镀膜碱金属原子气泡3、一微型环形永磁铁2、一温度控制系统5、两个圆形薄膜偏振片(1和4)组装成上述原子滤光器；

将原子气泡两端的第一、第二偏振片(1和4)调节为相互正交；

利用温度控制系统5升高原子气泡的温度，此时入射光由于碱金属原子在均匀磁场中的法拉第效应发生旋光，获得透射光谱；

利用温度控制系统5控制原子气泡的温度，使得透射光谱的透过率和线宽综合达到最佳。

本发明实施例利用碱金属气体在强磁场作用下对入射激光产生法拉第旋光效应，实现滤光，并且体积只有过往的法拉第原子滤光器的1/200。利用内径10.5mm，外径12.5mm，厚度8mm的环形永磁铁在磁铁中心沿光传播方向产生长度3mm的均匀强磁场。在强磁场作用下，碱金属原子的吸收线在塞曼效应的作用下发生分裂，分为两条，分别对应于右旋和左旋圆偏振光的吸收线，二者频率略有不同。此时，入射激光中左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在穿过碱金属原子气体时有不同的色散曲线，这使得它们穿过原子气室后出现相位差，表现为两者叠加形成的线偏振光偏振方向改变。

利用两个相互正交的第一、第二薄膜偏振片1和4对入射激光进行选频，只有频率在原子吸收线附近的入射光能在旋光效应的作用下出射。通过温度控制系统5对原子气泡的温度精准控制，使得原子气泡一直工作在最佳的工作温度。上述设计的外壳一方面起到固定所有元件的作用，另一方面起到保温的效果，增强了微型法拉第原子滤光器对环境温度的抗干扰能力。

本发明实施例设计的微型法拉第原子滤光器极大地降低了法拉第原子滤光器的体积，获得了更均匀的强磁场，降低了功耗，拥有更强的机械稳定性，对于外界机械振动和温度变化不敏感，适用于各种野外或车载等振动、温度变化大的恶劣环境，有望实现法拉第原子滤光器的即插即用功能(由于法拉第原子滤光器不会改变光路传播方向，直接将法拉第原子滤光器放置在光路中即可实现即插即用功能)，对于原子滤光相关的科学研究和工业应用具有重要意义。

实施例5

下面结合图3和图4，对实施例4中的方法步骤进行进一步地介绍，详见下文描述：

步骤101：利用设计好的外壳，将充有缓冲气体的铯原子气室3、永磁铁2、第一、第二薄膜偏振片1和4组装在一起，原子气室3表面的加热片和热敏电阻外接温度控制模块；

步骤102：调节第一、第二薄膜偏振片1和4的偏振方向，使两者相互正交，此时由于未升高温度，法拉第旋光效应微弱，入射光无法从第二薄膜偏振片4出射；

步骤103：升高温度，气室内铯原子吸收线在磁场的作用下发生分裂，分为两条，使得入射光中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在穿过铯原子气室3后出现光程差，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加的线偏振光的偏振方向发生旋转，实现旋光；

具体实现时，当温度升高时，铯原子吸收线在磁场的作用下分裂为两条，分别于对应于左旋和右旋圆偏振光的吸收线，两者频率略有不同。并且左旋和右旋圆偏振光有不同的色散曲线，此时它们在经过原子气室时的折射率不同，产生了光程差，光程差使它们从气室射出后的相位差相对于入射气室前的相位差发生改变。

其中，当左旋圆偏振光和右旋圆偏振光叠加成线偏振光时，线偏振光的偏振方向与左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的相位差有直接的联系，相位差发生改变，会导致线偏振光的偏振方向发生旋转，即产生法拉第旋光效应，法拉第旋光效应为本领域公知的物理现象，本发明实施例对此不做赘述。

其中，原子吸收峰频率附近的入射光发生旋光后，可以从第二薄膜偏振片4出射，而频率远离吸收峰的入射光无法出射，实现了对入射光的选频。

步骤104：调节温度选择最合适的工作点。

其中，温度改变时，一方面入射光偏振方向的旋转角度会发生变化，另一方面铯原子的吸收也会改变，最终透射谱是由这两个因素共同决定的，因此，需要选择最佳的温度，使透过率尽可能高。

例如：在缓冲气体气压为5托，磁场强度为1000高斯时，最佳温度为75.5摄氏度，此时透过率最高。

上述实施例的微型法拉第原子滤光器，通过设计微型的原子气室3和相对应的环形永磁铁2，并采用第一、第二薄膜偏振片1和4替换偏振分光棱镜和格兰泰勒棱镜，极大地缩小了法拉第原子滤光器的体积，提升了原子滤光器对机械振动的抗干扰能力，极大地降低了原子滤光器的功耗。

本发明实施例采用全新设计的磁场产生方案，利用更小体积的永磁铁3实现了更均匀的强磁场，提升原子滤光器的旋光性能。通过更好的保温措施和温控精度更高的反馈控制电路，提升温度控制系统5稳定性的同时，提升了原子滤光器对外界温度变化的抗干扰能力。

图4为上述实施例中微型法拉第原子滤光器的实施效果图，磁场强度为1000高斯，缓冲气压为5托，横坐标为测量激光频率，横坐标零点对应铯原子6

上述实施例仅是为了说明本发明实施例的原理，原子滤光器中原子气室3的体积和永磁铁2的磁场强度可以更换，不局限于本发明的实施例，例如：原子气室3的体积变为30mm

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。