專利名稱：飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器，一種用于激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)中精確、穩(wěn)定的鑒頻源的飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置。
背景技術(shù)：
在室溫下，由于原子分子的熱運動的速度很高，所以多普勒加寬成為譜線加寬的主要機制，使我們不能得到能反映其精細能級結(jié)構(gòu)的譜線。
飽和吸收消多普勒加寬譜，使我們可以觀測到原子分子的精細能級結(jié)構(gòu)的譜線， 使我們能夠?qū)υ臃肿拥慕Y(jié)構(gòu)進行更深刻的認(rèn)識。在激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)中，超精細能級結(jié)構(gòu)譜線，被作為穩(wěn)定、精確的頻率源，得到廣泛的應(yīng)用。目前已經(jīng)有專門商品化的獲得飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置在市場上出售，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種裝置將會有著越來越廣的應(yīng)用，越來越多的需求。
為了消除多普勒飽和吸收背景，需用一束光強較強的泵浦光，使樣品中的原子分子處于激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生飽和效應(yīng)；一束與處于激發(fā)態(tài)的樣品相互作用的弱探測光；以及另一束與探測光光強大小相同的探測光通過相同的樣品，作為參考光。這兩束通過樣品的探測光和參考光光強信號，被探測器(減法器或者對管)接收，轉(zhuǎn)換為電壓信號，相減，這樣我們就可以得到一個下邊沿平坦的，多個尖銳峰的，飽和吸收消多普勒加寬的譜線。
傳統(tǒng)的以厚鏡片分束器為主要元器件的傳統(tǒng)的三角形結(jié)構(gòu)的光路系統(tǒng)，可以得到?jīng)]有多普勒本底的包含超精細能級結(jié)構(gòu)的譜線，但是存在著以下幾個缺點
第一，占用空間比較大。為了獲得高信噪比的信號，我們需要使泵浦光與探測光盡量的重合在一起，但是囿于三角形狀的光路結(jié)構(gòu)，這就需要泵浦光和探測光之間的夾角非常的小，因此需要較大的空間。
第二，信號的信噪比不高。泵浦光與探測光不能完全重合，所以有相當(dāng)大的一部分原子沒有被泵浦或者沒被探測到。
第三，探測光和參考光的距離固定，不能隨便調(diào)節(jié)。厚鏡片分束器的厚度是確定的，這就決定了探測光和參考光之間的距離不能隨便的輕易地改變。
第四，參考光與探測光之間的光強平衡不容易調(diào)節(jié)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，該裝置具有光路安排更加緊湊、靈活，使我們可以觀測到原子分子的精細能級結(jié)構(gòu)的譜線。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置。
一種飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，特點在于該裝置包括λ /2波片、第一偏振分束棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、一維位移平臺、第二偏振分束棱鏡、λ/4波片、樣品池和探測器，上述各元部件的位置關(guān)系如下
所述的探測器包含第一光電探測器、第二光電探測器和一個減法器，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端經(jīng)所述的減法器輸出；所述的第二全反射鏡置于所述的一維位移平臺上，以改變探測光和參考光之間的間距；
沿入射的線偏振的激光方向依次是λ/2波片、第一偏振分束棱鏡、樣品池、λ/4 波片、第二偏振分束棱鏡和第三全反射鏡，所述的第三全反射鏡與入射光方向垂直，所述入射的線偏振光經(jīng)第一偏振分束棱鏡分成透射光和反射光，分別稱為泵浦光和參考光，所述的泵浦光經(jīng)所述的樣品池、λ /4波片和第二偏振分束棱鏡后垂直地入射在所述的第三全反射鏡上，經(jīng)第三全反射鏡反射后，沿原路返回作為探測光，經(jīng)所述的第二偏振分束棱鏡、 λ /4波片、樣品池和第一偏振分束棱鏡反射進入所述的探測器的第一光電探測器；
在所述的第一偏振分束棱鏡的參考光方向依次設(shè)置與光路成45°的第一全反射鏡和第二全反射鏡，使所述的參考光經(jīng)第一全反射鏡和第二全反射鏡反射后從所述的第二偏振分束棱鏡的另一方向，即與所述的泵浦光垂直的方向進入所述的第二偏振分束棱鏡， 該參考光經(jīng)第二偏振分束棱鏡反射后經(jīng)所述的λ /4波片、樣品池和第一偏振分束棱鏡反射后進入所述的探測器的第二光電探測器；
經(jīng)第一光電探測器探測的探測光和經(jīng)第二光電探測器探測的參考光的光信號分別轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)所述的減法器相減后輸出，獲得飽和吸收消多普勒加寬譜線的電信號。
所述的λ /2波片具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)探測光和參考光的光強。
所述的λ /4波片具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)探測光和參考光的光強。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下
本發(fā)明飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，克服了傳統(tǒng)上的一些缺點，具有以下幾點優(yōu)勢
第一，占用空間較小。由于泵浦光與探測光可以完全重合，所以整個系統(tǒng)基本上只受到鏡片等元器件的影響，不用再考慮探測光和泵浦光重合的角度問題。
第二，信噪比更高。由于泵浦光與探測光基本上可以完全重合，所以它們相互重疊的區(qū)域更廣，因而可以獲得更好的信號。
第三，探測光路和泵浦光路之間的距離可以靈活改變，不再受厚鏡片分束器的限制。
第四，參考光與探測光之間的光強平衡更加容易調(diào)節(jié)。只要轉(zhuǎn)動λ/2波片I或者 λ/4波片8，就可以方便地調(diào)節(jié)后面的探測光與參考光的光強，從而獲得平坦的、銳利的消多普勒加寬的譜線。
第五，方形光路系統(tǒng)占空間的小的優(yōu)點，利于集成，利用飛秒微加工技術(shù)，將來有可能把整個系統(tǒng)集成在一個芯片上面(Opt. Lett. 28，1144-1146(2003)。


圖I是本發(fā)明飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置一個實施例的示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖I是本發(fā)明飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置的實施例的示意圖。由圖可見，本發(fā)明飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，包括λ/2波片I、第一偏振分束棱鏡2、第一全反射鏡3、第二全反射鏡4、第三全反射鏡6、一維位移平臺5、第二偏振分束棱鏡7、λ /4波片8、樣品池9和探測器10，上述各元部件的位置關(guān)系如下
所述的探測器10包含第一光電探測器、第二光電探測器和一個減法器，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端經(jīng)所述的減法器輸出；所述的第二全反射鏡4置于所述的一維位移平臺5上，以改變探測光和參考光之間的間距；
沿入射的線偏振的激光方向依次是λ/2波片I、第一偏振分束棱鏡2、樣品池9、 入/4波片8、第二偏振分束棱鏡7和第三全反射鏡6,所述的第三全反射鏡6與入射光方向垂直，所述入射的線偏振光經(jīng)第一偏振分束棱鏡2分成透射光和反射光,分別稱為泵浦光和參考光，所述的泵浦光經(jīng)所述的樣品池9、λ /4波片8和第二偏振分束棱鏡7后垂直地入射在所述的第三全反射鏡6上，經(jīng)第三全反射鏡6反射后，沿原路返回作為探測光，經(jīng)所述的第二偏振分束棱鏡7、λ /4波片8、樣品池9和第一偏振分束棱鏡2反射進入所述的探測器10的第一光電探測器；
在所述的第一偏振分束棱鏡2的參考光的光路上依次設(shè)置與光路成45°的第一全反射鏡3和第二全反射鏡4，使所述的參考光經(jīng)第一全反射鏡3和第二全反射鏡4反射后從所述的第二偏振分束棱鏡7的另一方向，即與所述的泵浦光垂直的方向進入所述的第二偏振分束棱鏡7，該參考光經(jīng)第二偏振分束棱鏡7反射后經(jīng)所述的λ /4波片8、樣品池9和第一偏振分束棱鏡2反射后進入所述的探測器10的第二光電探測器；
經(jīng)第一光電探測器探測的探測光和經(jīng)第二光電探測器探測的參考光的光信號分別轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)所述的減法器相減后輸出，獲得飽和吸收消多普勒加寬譜線的電信號。
所述的λ /2波片I具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)泵浦光和參考光的光強。
所述的λ /4波片8具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)探測光和參考光的光強。
在安裝和調(diào)整光路時應(yīng)注意
I.首先保證激光光束沿一條直線傳播，放置λ /2波片I，然后放置第一偏振分束棱鏡2，使光束分成兩束垂直的光束，并且使通過的光束不要太靠近中心，稍微靠近邊緣附近，這樣可以使兩束探測光之間的調(diào)節(jié)距離留有余地。
2.安裝45度全反射鏡3，使反射的光束與P光的傳播方向束平行，與入射光成90度。
3.安裝固定在一維直動平臺5上面的45度全反射鏡4，使反射光與入射光成90度。
4.放置第二偏振分束棱鏡(PBS)7，使P光和S光分離開，打到PBS的兩個邊緣處， 這也需要保證一定的調(diào)節(jié)余量。
5.在第二偏振分束棱鏡(PBS)7后面放置O度全反射鏡6，一定要注意使入射光與反射光保持重合，可以用小孔保證入射光與反射光完全平行。
6.在樣品池和第二偏振分束棱鏡(PBS)7之間插入λ/4波片8。調(diào)節(jié)一維直動平臺5，使探測光和參考光入射到探測器10中；調(diào)節(jié)λ /2波片I和λ /4波片8使得入射到探測器中的光強平衡。
7.插入待測樣品9，調(diào)節(jié)λ /4波片8，獲得尖銳，下沿平坦的飽和吸收消多普勒譜線。
—束線偏振激光入射到第一偏振分束棱鏡2，將使一束光分成兩束光沿原方向傳播的透射光，稱為泵浦光和與原來傳播方向傳播成90度夾角的反射光,稱為參考光；同時通過旋轉(zhuǎn)所述的λ/2波片1，可以改變泵浦光和參考光的光強大小，在這里我們選擇泵浦光的光強大于參考光的光強。通過調(diào)節(jié)所述的λ/2波片I就可以調(diào)節(jié)參考光和探測光的光強平衡。
所述的泵浦光進入樣品池9中，把樣品的分子或原子全部激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級，使之產(chǎn)生飽和效應(yīng)。
所述的泵浦光通過樣品池9之后，入射到λ /4波片8上面，光強減弱的泵浦光然后經(jīng)過第二偏振分束棱鏡7,再一次被分為P光和S光,透過第二偏振分束棱鏡7的P光然后被第三全反射鏡6原路反射回來，稱為探測光。這樣探測光路和泵浦光路在很短的距離內(nèi)實現(xiàn)了完全重合。這束探測光再一次經(jīng)過λ/4波片8，樣品池9之后，被第一偏振分束棱鏡2再一次反射，該探測光作為輸入信號，進入探測器10的第一光電探測器。這里旋轉(zhuǎn) λ /4波片8，可以調(diào)節(jié)入射到探測器10內(nèi)的探測光的光強大小。
所述的參考光，經(jīng)過兩塊第一全反射鏡3和第二全反射鏡4反射，進入第二偏振分束棱鏡7，經(jīng)第二偏振分束棱鏡7反射后傳播方向被改變90度，經(jīng)過λ /4波片8，經(jīng)過樣品池9，攜帶上多普勒加寬的信號，返回第一偏振分束棱鏡2，再一次被分為P光和S光，其中傳播方向改變了 90度的S光(參考光)作為輸入信號，進入探測器10的第二光電探測器。 在這過程中，可以前后移動的直動平臺5上面的第二全反射鏡4，以改變參考光與探測光之間的距離。同時改變λ/4波片8，可以調(diào)節(jié)入射到探測器10內(nèi)的參考光的光強大小。
入射到探測器10的參考光和探測光的光強大小被探測器10中的第一光電管和第二光電管探測轉(zhuǎn)換為電壓信號再經(jīng)減法器相減，把這個相減之后的電壓信號就是飽和吸收消多普勒加寬的譜線電壓信號。如果送到示波器中，就可以看到一個下沿平坦的，多個尖銳峰的，飽和吸收消多普勒加寬的譜線波形。
綜合以上各方面的因素可以看出，這種新型的飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，克服了傳統(tǒng)上的一些缺點，具有以下幾點優(yōu)勢
第一，占用空間較小。由于泵浦光與探測光可以完全重合，所以整個系統(tǒng)基本上只受到鏡片等元器件的影響，不用再考慮探測光和泵浦光重合的角度問題。
第二，信噪比更高。由于泵浦光與探測光基本上可以完全重合，所以它們相互重疊的區(qū)域更廣，因而可以獲得更好的信號。
第三，探測光路和泵浦光路之間的距離可以靈活改變，不再受厚鏡片分束器的限制。
第四，參考光與探測光之間的光強平衡更加容易調(diào)節(jié)。只要轉(zhuǎn)動λ/2波片I或者 λ/4波片8，就可以方便地調(diào)節(jié)后面的探測光與參考光的光強，從而獲得下邊沿平坦的、銳利的消多普勒加寬的譜線。
第五，方形光路系統(tǒng)占空間的小的優(yōu)點，利于集成，利用飛秒微加工技術(shù)，將來有可能把整個系統(tǒng)集成在一個芯片上面。
權(quán)利要求
1.一種飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，特征在于該裝置包括λ/2波片(I)、第一偏振分束棱鏡(2)、第一全反射鏡(3)、第二全反射鏡(4)、一維位移平臺(5)、第三全反射鏡(6)、第二偏振分束棱鏡(7)、λ/4波片(8)、樣品池(9)和探測器(10)，上述各元部件的位置關(guān)系如下所述的探測器(10)包含第一光電探測器、第二光電探測器和一個減法器，第一光電探測器和第二光電探測器的輸出端經(jīng)所述的減法器輸出；所述的第二全反射鏡(4)置于所述的一維位移平臺(5)上，以改變探測光和參考光之間的間距；沿入射的線偏振的激光方向依次是λ/2波片(I)、第一偏振分束棱鏡(2)、樣品池(9)、 入/4波片(8)、第二偏振分束棱鏡(7)和第三全反射鏡(6),所述的第三全反射鏡(6)與入射光方向垂直，所述入射的線偏振光經(jīng)第一偏振分束棱鏡(2)分成透射光和反射光,分別稱為泵浦光和參考光，所述的泵浦光經(jīng)所述的樣品池(9)、λ /4波片(8)和第二偏振分束棱鏡(7)后垂直地入射在所述的第三全反射鏡(6)上，經(jīng)第三全反射鏡(6)反射后，沿原路返回作為探測光，經(jīng)所述的第二偏振分束棱鏡(7)、λ/4波片(8)、樣品池(9)和第一偏振分束棱鏡(2)反射進入所述的探測器(10)的第一光電探測器；在所述的第一偏振分束棱鏡(2)的參考光方向依次設(shè)置與光路成45°的第一全反射鏡(3)和第二全反射鏡(4)，使所述的參考光經(jīng)第一全反射鏡(3)和第二全反射鏡(4)反射后從所述的第二偏振分束棱鏡(7)的另一方向，即與所述的泵浦光垂直的方向進入所述的第二偏振分束棱鏡(7)，該參考光經(jīng)第二偏振分束棱鏡(7)反射后經(jīng)所述的λ/4波片(8)、 樣品池(9)和第一偏振分束棱鏡(2)反射后進入所述的探測器(10)的第二光電探測器； 經(jīng)第一光電探測器探測的探測光和經(jīng)第二光電探測器探測的參考光的光信號分別轉(zhuǎn)換成電壓信號后經(jīng)所述的減法器相減后輸出，獲得飽和吸收消多普勒加寬譜線的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，其特征在于所述的λ/2 波片(I)具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)探測光和參考光的光強。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，其特征在于所述的λ/4 波片(8)具有轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)探測光和參考光的光強。
全文摘要
一種飽和吸收消多普勒加寬譜線的裝置，包括λ/2波片、第一偏振分束棱鏡、第一全反射鏡、第二全反射鏡、第三全反射鏡、第二偏振分束棱鏡、λ/4波片、樣品池和探測器，本發(fā)明使泵浦光和探測光的光束基本完全重合，可以獲得更高的信噪比；整個系統(tǒng)的空間尺度只受到光學(xué)器件和樣品池大小的限制，光路安排更加緊湊、靈活，使我們可以觀測到原子分子的精細能級結(jié)構(gòu)的譜線。
文檔編號H01S3/137GK102983492SQ20121051774
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月5日
發(fā)明者崔國棟, 李曉林, 錢軍, 王育竹 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所