專利名稱：一種主動(dòng)式銣原子共振濾光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種主動(dòng)式銣原子共振濾光器(銣-Rb，原子共振濾光器-ARF)涉及光學(xué)、無(wú)線電電子學(xué)和原子、分子物理學(xué)，尤其適用于激光通信中的濾光器件。
濾光器件廣泛應(yīng)用于激光通信中，現(xiàn)有技術(shù)的狀況是①傳統(tǒng)的光學(xué)濾光片，由于寬的帶寬和低的透過(guò)率，不能滿足于激光通信白天工作的要求。
②已研究和演示的Rb-ARF，一是使用染料激光器或者半導(dǎo)體激光器作為激發(fā)Rb基態(tài)原子到5P激發(fā)態(tài)的泵浦源，還不具有實(shí)用性；二是使用純Rb樣品，轉(zhuǎn)換效率較低。染料激光器或者半導(dǎo)體激光器泵浦的熒光型主動(dòng)式Rb-ARF，盡管具有非常高的泵浦效率，但是，前者體積龐大，僅僅適合于在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行物理參數(shù)的確定和原子濾光特性的研究之用。后者的問(wèn)題在于a、國(guó)內(nèi)沒(méi)有合適Rb波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器商品可以獲得，需要從國(guó)外購(gòu)買；b、激光波長(zhǎng)穩(wěn)定性較差，不實(shí)用(這一點(diǎn)已經(jīng)在原子頻標(biāo)里被證明，至今激光泵浦的原子頻標(biāo)仍然沒(méi)能達(dá)到實(shí)用的階段)。
③熒光型主動(dòng)式鉈ARF對(duì)于集居62P3/2原子亞穩(wěn)態(tài)也使用了光譜燈進(jìn)行泵浦，但是它的工作波長(zhǎng)與Rb-ARF不相同，不能夠直接取代Rb-ARF，并且，為了滿足產(chǎn)生原子亞穩(wěn)態(tài)的條件，鉈蒸汽泡只能保持非常低的原子數(shù)密度，因此，輸出信號(hào)強(qiáng)度受到限制。
由此可見(jiàn)，使用傳統(tǒng)的光學(xué)濾光片，激光光通信系統(tǒng)只能在夜間工作。為了保證激光光通信能夠在白天進(jìn)行，則要求使用更高效率的濾光器件。與干涉濾光片(薄膜的、偏振的等)和雙折射濾光片相比，ARF具有大的接收角、 更窄的帶寬和更高的濾光效率等特點(diǎn)。盡管目前的Rb-ARF使得激光光通信系統(tǒng)在白天也能正常工作，由于沒(méi)有滿足要求的商品器件可以獲得，且傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案直接用于激光通信仍然存在器件龐大、不實(shí)用或者轉(zhuǎn)換效率比較低等問(wèn)題。
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題和不足，而研究和建造一種主動(dòng)式、高效實(shí)用的Rb-ARF。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明使用無(wú)極放電Rb光譜燈泵浦的Rb-ARF。Rb光譜燈在Rb原子頻標(biāo)里的使用，已經(jīng)表明了它的實(shí)用性光譜純度高、輻射頻率穩(wěn)定、體積小、壽命長(zhǎng)、本發(fā)明易于與其他部件組合。對(duì)于Rb蒸汽泡，我們?cè)O(shè)計(jì)的主體尺寸為Φ18×40mm，并有一個(gè)Φ5×50mm的泡尾，其保證Rb蒸汽量子轉(zhuǎn)換效率為28％。其波長(zhǎng)與倍頻NdYAG激光器(YAG晶體棒工作溫度為102℃)的激光波長(zhǎng)相吻合，兩者的匹配是激光對(duì)潛通信的可選擇方案之一。本發(fā)明主要由無(wú)極放電Rb光譜燈和原子蒸汽泡組成，其工作原理是首先讓無(wú)極放電Rb光譜燈Rb D1或者D2線光照射Rb蒸汽泡，使得Rb原子集居在52P1/2或者52p3/2激發(fā)態(tài)，Rb-ARF處于工作狀態(tài)。當(dāng)與Rb原子高激發(fā)態(tài)能級(jí)譜線相吻合的入射信號(hào)通過(guò)Rb蒸汽泡時(shí)，Rb原子吸收信號(hào)光子后從5P能級(jí)躍遷到高激發(fā)S或者D態(tài)，然后，激發(fā)態(tài)Rb原子輻射弛豫經(jīng)nP態(tài)回到基態(tài)，通過(guò)原子內(nèi)部轉(zhuǎn)換，輸出的原子熒光里包括信號(hào)的所有信息。在極窄原子線寬內(nèi)產(chǎn)生高透過(guò)率，而對(duì)強(qiáng)的本底噪聲產(chǎn)生高抑制。從5P能級(jí)到高激發(fā)S態(tài)或者D態(tài)的躍遷，其中特別令人感興趣的是工作波長(zhǎng)為532nm(5P1/2-10S1/2)的Rb-ARF，其響應(yīng)時(shí)間為幾百ns量級(jí)，理論的純Rb原子蒸汽泡有一個(gè)長(zhǎng)的工作壽命。加上雙加熱爐的設(shè)計(jì)，工作期間能夠使得Rb蒸汽泡的原子數(shù)密度恒定。為了提高Rb-ARF的探測(cè)靈敏度，我們使用了Rb蒸汽加分子氣體(H2或者CO)的混合。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)或者積極效果是①由于具有超窄線寬濾光特性，使得激光光通信系統(tǒng)在白天能夠進(jìn)行正常工作。
②使用無(wú)極放電Rb光譜燈作為泵浦源，減少了器件的體積和重量，簡(jiǎn)化了器件的結(jié)構(gòu)，使得本發(fā)明具有實(shí)用性；②在原子共振濾光器(ARF)研究中，通常使用無(wú)摻雜樣品。我們?cè)谘芯吭优c原子、分子碰撞能量轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上，對(duì)泡加入合適壓力H2、CO氣體，使得本發(fā)明在預(yù)定工作溫度(130℃)下的72P52S1/2熒光強(qiáng)度比使用純Rb泡時(shí)分別增強(qiáng)6(使用H2氣體)和20倍(使用CO氣體)、極大地提高了ARF探測(cè)靈敏度；因此，能夠增加激光光通信的距離，或者增加激光對(duì)潛通信的海水深度。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施詳細(xì)說(shuō)明

圖1為本發(fā)明工作原理圖。其中，1-電路盒，即無(wú)極放電Rb光譜燈激勵(lì)電路盒，包括半導(dǎo)體高頻(98MHz)振蕩電路和散熱片，其作用是保證Rb燈泡正常起輝和穩(wěn)定工作；2-保溫套，材料為聚四氟乙烯塑料，防止Rb燈泡工作溫度隨環(huán)境溫度波動(dòng)；3-紅光帶通濾光片，僅僅允許無(wú)極放電Rb光譜燈的780mm和794nm輻射光通過(guò)；
4-電加熱絲，無(wú)磁雙繞，將外部直流電源提供的電能變成熱能，對(duì)Rb蒸汽泡進(jìn)行加熱，保證Rb蒸汽泡壁無(wú)Rb金屬粘附；5-干涉濾光片，其帶通波長(zhǎng)信號(hào)激光波長(zhǎng)相吻合；6-光學(xué)玻璃窗片，其作用是保持爐內(nèi)溫度、防止熱空氣影響干涉濾光片的性能，并允許抽運(yùn)光、信號(hào)激光和原子熒光盡可能小損失地通過(guò)；7-加熱爐，由聚四氟乙烯塑料制成，內(nèi)有電加熱絲和控溫、測(cè)溫用的鉑金絲電阻，能夠保證工作在室溫至180℃之間任一溫度下，穩(wěn)定度為±0.3℃；8-無(wú)極Rb燈泡，包括幾mgRb金屬和惰性氣體，封裝前真空度優(yōu)于10-5Torr；9-振蕩線圈，無(wú)極放電Rb光譜燈激勵(lì)電路的一部分，由Φ2mm銀絲制作；10-小爐子，保溫套由聚四氟乙烯塑料制成，內(nèi)有電加熱絲和控溫、測(cè)溫用鉑金絲電阻，用于控制Rb蒸汽密度，在工作中保證Rb蒸汽泡里的Rb蒸汽恒定在一個(gè)所要求的原子數(shù)密度；11-Rb蒸汽泡，95玻璃制作，是Rb-ARF的核心，包括作為工作介質(zhì)的Rb金屬與分子氣體，在工作中，由加熱形成Rb原子蒸汽，充入Rb金屬和分子氣體之前的蒸汽泡內(nèi)真空度優(yōu)于10-5Torr；12-電加熱絲，康銅絲材料，無(wú)磁雙繞，為小爐子10提供熱源；13-藍(lán)光帶通濾光片，選擇信號(hào)光轉(zhuǎn)換的原子熒光通過(guò)，與原子熒光的工作波長(zhǎng)范圍(420nm-311nm)相吻合。
由圖1可知，本發(fā)明主要由無(wú)極Rb燈泡8和Rb蒸汽泡11組成。由電路盒1、保溫套2、無(wú)極Rb燈泡8和振蕩線圈9組成無(wú)極放電Rb光譜燈器件。電路盒1包括高頻振蕩電路和散熱片部分；保溫套2固定在電路盒1上，振蕩線圈9是振蕩電路的一部分，也固定在電路盒上；振蕩線圈9位于保溫套2內(nèi)；無(wú)極放電Rb燈泡8放置于振蕩線圈9中間，其外壁不與振蕩線圈9相接觸，僅僅是泡尾固定在保溫套2后壁上；保溫套2的前部安裝有紅光帶通濾光片3，并與加熱爐7相連接；加熱爐7的每一個(gè)端口都安裝有光學(xué)玻璃片6，用于防止加熱爐7溫度影響濾光片3、5和13的性能，并且保證盡可能少損失地光通過(guò)；干涉濾光片5固定在加熱爐7上，其帶通的中心波長(zhǎng)與入射信號(hào)激光相吻合，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光抑制，入射信號(hào)激光與泵浦光相互垂直；加熱爐7內(nèi)包括有電加熱絲4，及測(cè)溫、控溫鉑電阻(沒(méi)有畫出)，它們保證爐子工作在室溫-180℃范圍的任一確定溫度下，控溫精度為±0.3℃；小爐子10鑲套安裝在加熱爐7上，爐內(nèi)也包括有獨(dú)立的電加熱絲12、及測(cè)溫、控溫鉑電阻(沒(méi)有畫出)；工作時(shí)，小爐子10通過(guò)保持在比加熱爐7溫度低10℃；Rb蒸汽泡11固定在小爐子12頂端，Rb蒸汽泡11主體部分位于加熱爐7內(nèi)，工作時(shí)，Rb蒸汽泡11壁上無(wú)Rb金屬粘附；Rb蒸汽泡11尾部位于小爐子10內(nèi)，尾部里含有約幾十mg的Rb金屬，保證Rb蒸汽泡有足夠長(zhǎng)的工作壽命。
由以上分析，本發(fā)明由于性能價(jià)格比高，高效實(shí)用，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種主動(dòng)式銣原子共振濾光器，其特征是主要由無(wú)極Rb燈泡(8)和Rb蒸汽泡(11)組成，其連接關(guān)系是①由電路盒(1)、保溫套(2)、無(wú)極Rb燈泡(8)和振蕩線圈(9)組成無(wú)極放電Rb光譜燈器件；電路盒(1)包括高頻振蕩電路和散熱片部分；保溫套(2)固定在電路盒(1)上，振蕩線圈(9)是振蕩電路的一部分，也固定在電路盒上；振蕩線圈(9)位于保溫套(2)內(nèi)；無(wú)極Rb燈泡(8)放置于振蕩線圈(9)中間，其外壁不與振蕩線圈(9)相接觸，僅僅是泡尾固定在保溫套(2)后壁上；保溫套(2)的前部安裝有紅光帶通濾光片(3)，并與加熱爐(7)相連接；加熱爐(7)的每一個(gè)端口都安裝有光學(xué)玻璃片(6)；干涉濾光片(5)固定在加熱爐(7)上，其帶通的中心波長(zhǎng)與入射信號(hào)激光相吻合，而對(duì)其他波長(zhǎng)的光抑制，使入射信號(hào)激光與泵浦光相互垂直；②加熱爐(7)內(nèi)包括有電加熱絲(4)，及測(cè)溫、控溫鉑電阻；小爐子(10)鑲套安裝在加熱爐(7)上，爐內(nèi)也包括有獨(dú)立的電加熱絲(12)、及測(cè)溫、控溫鉑電阻；Rb蒸汽泡(11)固定在小爐子(12)頂端，Rb蒸汽泡(11)主體部分位于加熱爐(7)內(nèi)；Rb蒸汽泡(11)尾部位于小爐子(10)內(nèi)，尾部里含有約幾十mg的Rb金屬。
2.按權(quán)利要求1所述的一種主動(dòng)式銣原子共振蕩濾光器，其特征是在Rb蒸汽泡(11)內(nèi)加入有合適壓力的H2、CO氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種主動(dòng)式銣原子共振濾光器,涉及光學(xué)、無(wú)線電電子學(xué)和原子、分子物理學(xué),尤其適用于激光通信中的濾光器件。為了提供一種高效適用的銣原子共振濾光器(Rb－ARF),本發(fā)明主要由無(wú)極放電Rb光譜燈和原子蒸汽泡組成,在蒸汽泡內(nèi)加入有合適壓力H
文檔編號(hào)G02B5/20GK1301972SQ9912495
公開(kāi)日2001年7月4日 申請(qǐng)日期1999年12月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月30日
發(fā)明者孫獻(xiàn)平, 曾錫之 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所