單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置制造方法
【專利摘要】一種主要用于激光器穩(wěn)頻的單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，其特點(diǎn)在于：包括依次安裝在光學(xué)基座上的同光軸的二分之一波片、偏振分束器、原子吸收泡和弱電流放大器，所述的原子吸收泡的前后表面平行，前表面為增透膜，后表面為部分反射膜。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性高，并且容易實(shí)現(xiàn)小型化與模塊化，可移植性強(qiáng)。
【專利說明】單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)穩(wěn)頻，特別是一種主要用于激光器穩(wěn)頻單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)
>J-U ρ?α裝直。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于精密光譜、原子冷卻、量子時頻等領(lǐng)域。在原子冷卻與量子時頻等領(lǐng)域中首先要對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行穩(wěn)頻，目前實(shí)驗室應(yīng)用較為廣泛的穩(wěn)頻光學(xué)系統(tǒng)為飽和吸收穩(wěn)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)有的飽和吸收系統(tǒng)分為兩類:有參考光的飽和吸收系統(tǒng)和無參考光的飽和吸收系統(tǒng)。應(yīng)用于激光器穩(wěn)頻時，兩種系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)消多普勒加寬的精密光譜，但有參考光的飽和吸收系統(tǒng)經(jīng)過電子學(xué)運(yùn)算可以得到?jīng)]有多普勒本底的飽和吸收峰，系統(tǒng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，多應(yīng)用于精密光譜的研究中。而在實(shí)際應(yīng)用中多使用沒有參考光的飽和吸收系統(tǒng)。
[0003]通常的無參考光的飽和吸收系統(tǒng)主要包括二分之一波片、偏振分束器、原子吸收泡、四分之一波片、0°全反鏡和弱電流放大器幾個部分，見附圖1。激光器I輸出的光束經(jīng)過二分之波片2、偏振分束器3分出一小部分用于激光器穩(wěn)頻，該光束先后經(jīng)過原子吸收泡
4、四分之一波片5入射到0°全反鏡6上，作為飽和吸收光學(xué)系統(tǒng)中的泵浦光。入射到0°全反鏡6上的光束經(jīng)過反射沿原光路返回至偏振分束器3處，由于該光束兩次通過四分之一波片5,其偏振方向改變90° ,在偏振分束器3處發(fā)生反射后入射到弱電流放大器7上，由弱電流放大器7進(jìn)行采集輸入至激光器伺服系統(tǒng)8上，通過激光器伺服系統(tǒng)8對激光器I進(jìn)行穩(wěn)頻，具體實(shí)施方法參閱文獻(xiàn)‘Appl.Phys.B84, 683-690(2006) ’中figure3的相應(yīng)部分。
[0004]上述的飽和吸收光學(xué)系統(tǒng)，包含多個光學(xué)器件，裝置較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題:
[0005]I)調(diào)節(jié)困難，飽和吸收的產(chǎn)生需要探測光的高度重合，現(xiàn)有的沒有參考光的飽和吸收系統(tǒng)利用0°全反鏡6的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)困難。
[0006]2)穩(wěn)定性差，獲得穩(wěn)定的激光頻率輸出需要穩(wěn)頻所用鑒頻信號足夠穩(wěn)定，現(xiàn)有的沒有參考光的飽和吸收系統(tǒng)中7采集到的鑒頻信號的強(qiáng)度、穩(wěn)定度由系統(tǒng)中的四分之一波片5和0°全反鏡6決定，環(huán)境的振動、溫度的變化都會使得光路受到影響，從而引起鑒頻信號的變化，使得激光器穩(wěn)頻性能變差。
[0007]3)對光學(xué)元件要求較高，為了得到最大光功率利用率，需要通過四分之一波片5調(diào)整返回光束的偏振 ，使其恰好改變90°，這樣返回光在偏振分束器3處全部反射后完全由弱電流放大器7采集，因此，四分之一波片5 —般要求為真零級四分之一波片，價格昂貴，且調(diào)節(jié)難度大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，提供一種主要用于激光器穩(wěn)頻單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便、穩(wěn)定性強(qiáng)，可以為激光器穩(wěn)頻提供穩(wěn)定的鑒頻信號。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0010]一種主要用于激光器穩(wěn)頻的單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，其特點(diǎn)在于:包括依次安裝在光學(xué)基座上的同光軸的二分之一波片、偏振分束器、原子吸收泡和弱電流放大器，所述的原子吸收泡的前后表面平行，前表面為增透膜，后表面為部分反射膜。
[0011]所述的原子吸收泡通過安裝座進(jìn)行安裝，原子吸收泡的安裝座的前后端蓋上設(shè)有通光的小孔，該小孔的孔徑為光束的高斯半徑，所述的原子吸收泡的安裝座采用高磁導(dǎo)率材料包圍。
[0012]所述的部分反射膜的反射率根據(jù)經(jīng)驗確定，選取不同原子的不同飽和吸收峰作為激光器穩(wěn)頻的穩(wěn)頻點(diǎn)時，該部分反射膜的反射率不同。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0014]I)原子吸收泡前表面鍍增透膜，提高了光功率的利用率。
[0015]2)原子吸收泡后表面鍍部分反射膜，光束分為兩部分，一部分被反射沿原路徑返回，作為飽和吸收光路中的泵浦光，另一部分透射后作為探測光被弱電流放大器收集并為激光器穩(wěn)頻提供鑒頻信號。該方法使得激光光束單次通過飽和吸收穩(wěn)頻支路就可獲得激光器穩(wěn)頻所需的鑒頻信號。
[0016]3)由于本發(fā)明中沒有使用四分之一波片和0°全反鏡，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到了簡化，調(diào)節(jié)難度大大降低。
[0017]4)本發(fā)明中使用上述原子吸收泡、沒有使用四分之一波片和0°反射鏡，泵浦光與探測光的重合程度不再取決于外部調(diào)整支架，而是由光束入射到上述原子吸收泡的角度所決定，在調(diào)節(jié)時，只要保證光束垂直入射至上述原子吸收泡的后表面即可。固定后不易受外界振動、溫度等環(huán)境影響，提高穩(wěn)頻光路的穩(wěn)定度。
[0018]5)本發(fā)明中弱電流放大器采集到的信號強(qiáng)度由入射到穩(wěn)頻支路的光功率強(qiáng)度決定，光路調(diào)整完畢后即可獲得強(qiáng)度穩(wěn)定的鑒頻信號。
[0019]6)本發(fā)明所述的光學(xué)基座，在所述的原子吸收泡的前后端蓋上設(shè)有通光的小孔，該小孔的孔徑為光束的高斯半徑。原子吸收泡的端蓋小孔的加入，減少了雜散光的干擾，安裝座采用高磁導(dǎo)率材料包圍有效地屏蔽了外界磁場的擾動，從而得到噪聲水平低的鑒頻信號，提高激光器的穩(wěn)定度。
[0020]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)簡易，占用空間少，獲得激光器穩(wěn)頻信號噪聲小，穩(wěn)定度高，有利于提高激光器穩(wěn)頻的穩(wěn)定度，且該裝置容易集成在一個光學(xué)基座上，易于小型化、模塊化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1虛線框中部分為現(xiàn)有的沒有參考光的飽和吸收光學(xué)系統(tǒng)的原理框圖。
[0022]圖2是本發(fā)明單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖中，I為激光器，2為二分之一波片，3為偏振分束器(PBS)，4為原子吸收泡，5為四分之一波片，6為0°全反鏡,7為弱電流放大器,8為激光器伺服系統(tǒng)。1、8組成激光器系統(tǒng)，2至7組成現(xiàn)有的飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)系統(tǒng)。I至8形成一個鎖定回路對激光器頻率進(jìn)行鎖定。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]對于冷原子Rb噴泉需要激光器提供頻率穩(wěn)定的冷卻光，實(shí)驗室利用激光器DL100穩(wěn)頻至87Rb的F = 2到F，= 2和F，=3的交叉峰上，在通過聲光調(diào)制器AOM移頻獲得所需要的冷卻光的頻率。在對DL100進(jìn)行穩(wěn)頻時，常采用飽和吸收穩(wěn)頻策略，需要搭建飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)系統(tǒng)。
[0026]先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本發(fā)明單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，包括依次安裝在光學(xué)基座上的同光軸的二分之一波片2、偏振分束器3、原子吸收泡4和弱電流放大器7，所述的原子吸收泡4的前后表面平行，前表面為增透膜，后表面為部分反射膜。
[0027]所述的原子吸收泡4通過安裝座進(jìn)行安裝，原子吸收泡的安裝座的前后端蓋上設(shè)有通光的小孔，該小孔的孔徑為光束的高斯半徑，所述的原子吸收泡的安裝座采用高磁導(dǎo)率材料包圍。(圖中未示)。
[0028]所述光學(xué)元件連同其安裝座安裝于一個光學(xué)基座上，光學(xué)元件安裝座根據(jù)整個光路的光心高度設(shè)計加工，并保持光學(xué)設(shè)計要求。
[0029]所述所有光學(xué)元件的光學(xué)平面互相平行且光心高度一致。
[0030]所述二分之一波片2和偏振分束器3單獨(dú)集成在一個安裝座上，保持二分之波片可調(diào)并可以利用鎖緊孔進(jìn)行鎖緊。
[0031]所述原子吸收泡按前述方法進(jìn)行光學(xué)鍍膜處理，前表面鍍780nm的增透膜，后表面鍍780nm反射率為20%的部分反透膜。該反射率為實(shí)驗室經(jīng)驗值。
[0032]所述原子吸收泡可通過在其安裝座前后表面端蓋加小孔，實(shí)現(xiàn)減少雜散光的目的。
[0033]所述原子吸收泡安裝座選用坡莫合金制作，對外界磁場起到屏蔽作用，獲得穩(wěn)定的鑒頻信號。
[0034]激光束依次通過上述光學(xué)元件后被弱電流放大器采集，信號經(jīng)過放大處理后作為鑒頻信號提供給激光器DL100的伺服系統(tǒng)，用于激光器DL100的穩(wěn)頻，并通過示波器觀察鑒頻信號與經(jīng)伺服系統(tǒng)處理后的誤差信號。
[0035]根據(jù)實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)鑒頻信號中87Rb的F = 2到F，= 2和F，= 3的交叉峰及其對應(yīng)的誤差信號噪聲水平低，信號強(qiáng)度穩(wěn)定，信號線型清晰。利用該信號鎖定激光器DL100比利用現(xiàn)有的沒有參考光的飽和吸收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行鎖定更容易，且鎖定后更穩(wěn)定，從而得到穩(wěn)定性高的鑒頻信號，提高激光器穩(wěn)頻的穩(wěn)定度，且調(diào)節(jié)簡單，固化后使用者無需進(jìn)行反復(fù)調(diào)試即可安裝于光學(xué)系統(tǒng)中，獲得穩(wěn)定的飽和吸收信號。
【權(quán)利要求】
1.一種單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，其特征在于:包括依次安裝在光學(xué)基座上的同光軸的二分之一波片(2)、偏振分束器(3)、原子吸收泡(4)和弱電流放大器(7)，所述的原子吸收泡(4)的前后表面平行，前表面為增透膜，后表面為部分反射膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，其特征在于:所述的原子吸收泡(4)通過安裝座進(jìn)行安裝，原子吸收泡的安裝座的前后端蓋上設(shè)有通光的小孔，該小孔的孔徑為光束的高斯半徑，所述的原子吸收泡的安裝座采用高磁導(dǎo)率材料包圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單光束飽和吸收穩(wěn)頻光學(xué)裝置，其特征在于:所述的部分反射膜的反射率根據(jù)經(jīng)驗確定。
【文檔編號】H01S5/022GK103986062SQ201410184410
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】任偉, 張遠(yuǎn)濤, 項靜峰, 呂德勝, 汪斌, 劉亮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所