一種激光穩(wěn)頻方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光穩(wěn)頻技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用原子磁光雙共振及光頻移效應(yīng)穩(wěn)定激光頻率的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]自20世紀(jì)60年代激光技術(shù)發(fā)展以來(lái)，由于其具有良好的單色性和方向性，激光在光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣泛?；诹孔恿W(xué)理論，原子的束縛態(tài)能量是分立的，稱為原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)。光與原子相互作用時(shí)，依據(jù)選擇定則，當(dāng)光的頻率等于原子兩個(gè)能級(jí)間隔時(shí)，原子會(huì)發(fā)生躍迀，這是利用量子效應(yīng)進(jìn)行的原子操作技術(shù)。為了能保持光與原子發(fā)生上述作用，需要光的頻率穩(wěn)定等于原子能級(jí)間隔。但是對(duì)于大多數(shù)激光器，由于機(jī)械振動(dòng)、溫度波動(dòng)、電路抖動(dòng)等因素，使激光的中心頻率會(huì)發(fā)生漂移，這樣一來(lái)激光就無(wú)法使原子持續(xù)躍迀，因此就需要一個(gè)頻率穩(wěn)定機(jī)制使激光頻率穩(wěn)定在原子能級(jí)間隔上。激光頻率穩(wěn)定技術(shù)應(yīng)用廣泛，在涉及激光與原子相互作用的基礎(chǔ)研宄以及原子鐘、原子磁力儀等應(yīng)用研宄中，都有重要的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述激光頻率穩(wěn)定的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種激光穩(wěn)頻方法及裝置，利用光頻移效應(yīng)會(huì)對(duì)磁光雙共振信號(hào)產(chǎn)生的影響，通過(guò)探測(cè)這種影響作為誤差信號(hào)，利用該誤差信號(hào)使激光頻率趨于穩(wěn)定。
[0004]本發(fā)明的目的之一在于，提供一種激光穩(wěn)頻裝置，包括在一激光光路上依次布置的:
[0005]用以將由一激光發(fā)生裝置發(fā)出的一束激光轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光的一光泵浦系統(tǒng)；
[0006]用以將由平行于入射光方向的外磁場(chǎng)和垂直于入射光的交變磁場(chǎng)共同作用兩個(gè)原子氣室的兩套原子磁共振系統(tǒng)；
[0007]用以將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并提取其中特定頻率分量的一信號(hào)采集處理系統(tǒng)。
[0008]進(jìn)一步地，所述光泵浦系統(tǒng)包括在激光光路上依次布置的一偏振片、一二分之一波片、一偏振分光棱鏡、一對(duì)第一四分之一波片及一平面反射鏡。
[0009]進(jìn)一步地，所述原子磁共振系統(tǒng)包括一磁屏蔽桶以及置于所述磁屏蔽桶內(nèi)的一原子氣室、一對(duì)亥姆霍茲線圈、一對(duì)外磁場(chǎng)線圈。
[0010]進(jìn)一步地，所述外磁場(chǎng)線圈用以產(chǎn)生與入射光平行的一外磁場(chǎng)，所述亥姆霍茲線圈用以產(chǎn)生一與所述外磁場(chǎng)垂直的一交變磁場(chǎng)。
[0011]進(jìn)一步地，所述信號(hào)采集處理系統(tǒng)包括:一對(duì)光電探測(cè)器、一鎖相放大器、一比例積分微分電路，所述比例積分微分電路用以反饋控制所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光的頻率。
[0012]本發(fā)明的另一目的在于提供一種一種激光穩(wěn)頻方法，包括以下步驟:
[0013]I)從一激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)一光泵浦系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光；
[0014]2)所述左旋圓偏振光及右旋圓偏振光入射兩套原子磁共振系統(tǒng)，所述原子磁共振系統(tǒng)具有與入射光平行的一外磁場(chǎng)及與所述外磁場(chǎng)垂直的一交變磁場(chǎng)；
[0015]3)所述左旋圓偏振光及右旋圓偏振光經(jīng)過(guò)兩套原子磁共振系統(tǒng)后分別由兩光電探測(cè)器探測(cè)，并鎖定所述交變磁場(chǎng)的共振頻率；
[0016]4)根據(jù)所述共振頻率進(jìn)行計(jì)算得到一誤差信號(hào)；
[0017]5)根據(jù)所述誤差信號(hào)對(duì)所述激光發(fā)生裝置進(jìn)行反饋控制，從而穩(wěn)定所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光的頻率。
[0018]進(jìn)一步地，步驟I)中所述激光經(jīng)過(guò)一光泵浦系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光包括:所述激光經(jīng)過(guò)一偏振片轉(zhuǎn)換為一線偏振光，再通過(guò)一二分之一波片調(diào)整所述線偏振光的偏振方向，再經(jīng)過(guò)一偏振分光棱鏡將所述線偏振光分成兩路互相垂直的線偏振光，再利用反射鏡將所述兩路互相垂直的線偏振光為兩路互相平行的線偏振光，再通過(guò)一對(duì)四分之一波片分別將所述兩路互相平行的線偏振光調(diào)節(jié)為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光。
[0019]進(jìn)一步地，步驟2)中所述外磁場(chǎng)通過(guò)一對(duì)外磁場(chǎng)線圈產(chǎn)生，所述交變磁場(chǎng)通過(guò)一對(duì)亥姆霍茲線圈產(chǎn)生。
[0020]進(jìn)一步地，步驟4)中根據(jù)所述共振頻率進(jìn)行計(jì)算得到誤差信號(hào)包括；根據(jù)所述共振頻率計(jì)算出兩套原子磁共振系統(tǒng)的兩個(gè)外磁場(chǎng)值，再兩個(gè)外磁場(chǎng)值差分后作為誤差信號(hào)。
[0021]進(jìn)一步地，步驟5)中根據(jù)所述誤差信號(hào)對(duì)所述激光發(fā)生裝置進(jìn)行反饋控制包括:將所述誤差信號(hào)進(jìn)行比例積分微分運(yùn)算處理后，輸送至激光發(fā)生裝置，反饋控制激光器發(fā)生裝置的頻率。
[0022]本發(fā)明的工作原理:
[0023]本發(fā)明的方法及裝置利用了 AC stark效應(yīng)(又稱光頻移效應(yīng))對(duì)磁光雙共振效應(yīng)的影響，當(dāng)激光頻率發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)頻系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差信號(hào)反饋激光器，依此穩(wěn)定激光頻率。下面分別介紹兩種效應(yīng)。
[0024]磁光雙共振效應(yīng)是一種高精度量子測(cè)量方法的基本原理，它包括光泵浦過(guò)程(即光共振過(guò)程)和磁共振過(guò)程兩部分。原子能級(jí)會(huì)在外磁場(chǎng)作用發(fā)生Zeeman分裂，分裂間隔正比于外磁場(chǎng)大小，分裂能級(jí)稱為Zeeman能級(jí)。用偏振光作用某一 Zeeman能級(jí)時(shí)，該Zeeman能級(jí)上的原子會(huì)被抽空，原子處于其他Zeeman能級(jí)上，整個(gè)原子系統(tǒng)發(fā)生極化，這個(gè)過(guò)程稱為光泵浦過(guò)程。用垂直于外磁場(chǎng)方向的交變磁場(chǎng)作用原子的Zeeman能級(jí)，當(dāng)交變磁場(chǎng)頻率等于原子Zeeman能級(jí)間隔時(shí)，原子會(huì)在Zeeman能級(jí)間發(fā)生躍迀，整個(gè)原子系統(tǒng)發(fā)生退極化，這個(gè)過(guò)程稱為磁共振過(guò)程。當(dāng)兩個(gè)過(guò)程同時(shí)發(fā)生時(shí)，原子對(duì)于光的吸收最大?？梢岳面i相放大器將交變磁場(chǎng)頻率鎖定在原子Zeeman能級(jí)間隔上，進(jìn)而計(jì)算出外磁場(chǎng)的大小。整個(gè)過(guò)程即磁光雙共振效應(yīng)，它也是光泵磁力儀的基本原理。
[0025]光頻移效應(yīng)是光和原子相互作用過(guò)程中，由于光的頻率不等于原子能級(jí)間隔時(shí)(光的頻率與原子能級(jí)存在失諧)，光使原子能級(jí)發(fā)生移動(dòng)的效應(yīng)，原子能級(jí)移動(dòng)的大小和光的頻率大小有關(guān)。
[0026]同時(shí)考慮上述兩種效應(yīng)，就可以利用光頻移效應(yīng)對(duì)磁光雙共振效應(yīng)的影響來(lái)穩(wěn)定激光器頻率。
[0027]在磁光雙共振效應(yīng)中，光泵浦過(guò)程中的偏振光若與Zeeman能級(jí)存在失諧，Zeeman能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，磁共振過(guò)程中的交變磁場(chǎng)頻率也發(fā)生改變，即計(jì)算出的外磁場(chǎng)大小也發(fā)生改變。綜上所述，激光頻率的改變導(dǎo)致最終計(jì)算出的外磁場(chǎng)大小的改變。即如果保持外磁場(chǎng)不變，則計(jì)算出的外磁場(chǎng)變化反映激光頻率的變化，可以利用這個(gè)信號(hào)反饋控制激光器，使激光頻率穩(wěn)定。
[0028]但在許多應(yīng)用場(chǎng)合，外磁場(chǎng)會(huì)受環(huán)境干擾發(fā)生波動(dòng)，這時(shí)上文提及的反饋信號(hào)會(huì)包含外磁場(chǎng)自身的波動(dòng)信息，不是單純的激光頻率波動(dòng)信息。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以選用Zeeman分裂為三個(gè)Zeeman能級(jí)的原子，例如氦_4原子。使用左旋圓偏振光和右旋圓偏振光泵浦氦-4原子的亞穩(wěn)態(tài)時(shí)(氦-4原子亞穩(wěn)態(tài)在外磁場(chǎng)作用下分裂為三個(gè)Zeeman能級(jí))，因?yàn)楣鈭?chǎng)的偏振不同，所以光場(chǎng)作用的Zeeman能級(jí)不同，由光頻移引起的Zeeman能級(jí)移動(dòng)不同。但是由外磁場(chǎng)變化造成的Zeeman能級(jí)分裂變化是相同的。即可以利用兩套磁光雙共振系統(tǒng)，分別使用左旋圓偏振光和右旋圓偏振光泵浦，將最終計(jì)算出的外磁場(chǎng)大小差分處理，則外磁場(chǎng)的波動(dòng)可以去除，只剩下激光頻率波動(dòng)帶來(lái)的影響。
[0029]接合上述工作原理的說(shuō)明可知，通過(guò)采取如上的技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0030]1、對(duì)于大多數(shù)激光應(yīng)用領(lǐng)域，需要激光具有穩(wěn)定的頻率。由于一般激光器自身存在頻率波動(dòng)，可以利用本發(fā)明獎(jiǎng)激光頻率穩(wěn)定。這個(gè)穩(wěn)頻系統(tǒng)對(duì)于原子鐘和原子濾光器領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研宄提供了一種新的方案。
[0031]2、對(duì)于光泵原子磁力儀領(lǐng)域，利用本發(fā)明的方法及裝置可以在進(jìn)行外磁場(chǎng)測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光頻率的穩(wěn)定，省去獨(dú)立激光頻率穩(wěn)定系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)小型化，并降低研發(fā)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為本發(fā)明的激光穩(wěn)頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中穩(wěn)頻前激光誤差信號(hào)的波動(dòng)情況示意圖。
[0034]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中穩(wěn)頻后激光誤差信號(hào)的波動(dòng)情況示意圖。
[0035]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1_激光器；2_偏振片；3_ 二分之一波片；4_偏振分光棱鏡；5_平面反射鏡；6_第一四分之一波片；7_第二四分之一波片；8_第一外磁場(chǎng)線圈；9_第二外磁場(chǎng)線圈；10_第一亥姆霍茲線圈；11_第二亥姆霍茲線圈；12_第一原子氣室；13_第二原子氣室；14_第一磁屏蔽桶；15_第二磁屏蔽桶；16_第一光電探測(cè)器；17_第二光電探測(cè)器；18-鎖相放大器；19_比例積分微分電路。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，有必要在此指出，以下【具體實(shí)施方式】只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)上述
【發(fā)明內(nèi)容】
對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
[0037]如圖1所示，本發(fā)明對(duì)于作為激光發(fā)生裝置的激光器I進(jìn)行穩(wěn)頻的激光穩(wěn)頻裝置包括用以將由一激光發(fā)生裝置發(fā)出的一束激光轉(zhuǎn)換為一左旋圓偏振光及一右旋圓偏振光的一光泵浦系統(tǒng)；用以將由平行于入射光方向的外磁場(chǎng)和垂直于入射光的交變磁場(chǎng)共同作用兩個(gè)原子氣室的兩套原子磁共振系統(tǒng)；用以將