专利名称：饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器，一种用于激光器稳频系统中精确、稳定的鉴频源的饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置。
背景技术：
在室温下，由于原子分子的热运动的速度很高，所以多普勒加宽成为谱线加宽的主要机制，使我们不能得到能反映其精细能级结构的谱线。
饱和吸收消多普勒加宽谱，使我们可以观测到原子分子的精细能级结构的谱线， 使我们能够对原子分子的结构进行更深刻的认识。在激光器稳频系统中，超精细能级结构谱线，被作为稳定、精确的频率源，得到广泛的应用。目前已经有专门商品化的获得饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置在市场上出售，随着科学技术的发展，这种装置将会有着越来越广的应用，越来越多的需求。
为了消除多普勒饱和吸收背景，需用一束光强较强的泵浦光，使样品中的原子分子处于激发态，产生饱和效应；一束与处于激发态的样品相互作用的弱探测光；以及另一束与探测光光强大小相同的探测光通过相同的样品，作为参考光。这两束通过样品的探测光和参考光光强信号，被探测器(减法器或者对管)接收，转换为电压信号，相减，这样我们就可以得到一个下边沿平坦的，多个尖锐峰的，饱和吸收消多普勒加宽的谱线。
传统的以厚镜片分束器为主要元器件的传统的三角形结构的光路系统，可以得到没有多普勒本底的包含超精细能级结构的谱线，但是存在着以下几个缺点
第一，占用空间比较大。为了获得高信噪比的信号，我们需要使泵浦光与探测光尽量的重合在一起，但是囿于三角形状的光路结构，这就需要泵浦光和探测光之间的夹角非常的小，因此需要较大的空间。
第二，信号的信噪比不高。泵浦光与探测光不能完全重合，所以有相当大的一部分原子没有被泵浦或者没被探测到。
第三，探测光和参考光的距离固定，不能随便调节。厚镜片分束器的厚度是确定的，这就决定了探测光和参考光之间的距离不能随便的轻易地改变。
第四，参考光与探测光之间的光强平衡不容易调节。发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，该装置具有光路安排更加紧凑、灵活，使我们可以观测到原子分子的精细能级结构的谱线。
本发明的技术解决方案如下
一种饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置。
一种饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，特点在于该装置包括λ /2波片、第一偏振分束棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、一维位移平台、第二偏振分束棱镜、λ/4波片、样品池和探测器，上述各元部件的位置关系如下
所述的探测器包含第一光电探测器、第二光电探测器和一个减法器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端经所述的减法器输出；所述的第二全反射镜置于所述的一维位移平台上，以改变探测光和参考光之间的间距；
沿入射的线偏振的激光方向依次是λ/2波片、第一偏振分束棱镜、样品池、λ/4 波片、第二偏振分束棱镜和第三全反射镜，所述的第三全反射镜与入射光方向垂直，所述入射的线偏振光经第一偏振分束棱镜分成透射光和反射光，分别称为泵浦光和参考光，所述的泵浦光经所述的样品池、λ /4波片和第二偏振分束棱镜后垂直地入射在所述的第三全反射镜上，经第三全反射镜反射后，沿原路返回作为探测光，经所述的第二偏振分束棱镜、 λ /4波片、样品池和第一偏振分束棱镜反射进入所述的探测器的第一光电探测器；
在所述的第一偏振分束棱镜的参考光方向依次设置与光路成45°的第一全反射镜和第二全反射镜，使所述的参考光经第一全反射镜和第二全反射镜反射后从所述的第二偏振分束棱镜的另一方向，即与所述的泵浦光垂直的方向进入所述的第二偏振分束棱镜， 该参考光经第二偏振分束棱镜反射后经所述的λ /4波片、样品池和第一偏振分束棱镜反射后进入所述的探测器的第二光电探测器；
经第一光电探测器探测的探测光和经第二光电探测器探测的参考光的光信号分别转换成电压信号后经所述的减法器相减后输出，获得饱和吸收消多普勒加宽谱线的电信号。
所述的λ /2波片具有转动调节机构，以调节探测光和参考光的光强。
所述的λ /4波片具有转动调节机构，以调节探测光和参考光的光强。
本发明的技术效果如下
本发明饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，克服了传统上的一些缺点，具有以下几点优势
第一，占用空间较小。由于泵浦光与探测光可以完全重合，所以整个系统基本上只受到镜片等元器件的影响，不用再考虑探测光和泵浦光重合的角度问题。
第二，信噪比更高。由于泵浦光与探测光基本上可以完全重合，所以它们相互重叠的区域更广，因而可以获得更好的信号。
第三，探测光路和泵浦光路之间的距离可以灵活改变，不再受厚镜片分束器的限制。
第四，参考光与探测光之间的光强平衡更加容易调节。只要转动λ/2波片I或者 λ/4波片8，就可以方便地调节后面的探测光与参考光的光强，从而获得平坦的、锐利的消多普勒加宽的谱线。
第五，方形光路系统占空间的小的优点，利于集成，利用飞秒微加工技术，将来有可能把整个系统集成在一个芯片上面(Opt. Lett. 28，1144-1146(2003)。
图I是本发明饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置一个实施例的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图I是本发明饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置的实施例的示意图。由图可见，本发明饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，包括λ/2波片I、第一偏振分束棱镜2、第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜6、一维位移平台5、第二偏振分束棱镜7、λ /4波片8、样品池9和探测器10，上述各元部件的位置关系如下
所述的探测器10包含第一光电探测器、第二光电探测器和一个减法器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端经所述的减法器输出；所述的第二全反射镜4置于所述的一维位移平台5上，以改变探测光和参考光之间的间距；
沿入射的线偏振的激光方向依次是λ/2波片I、第一偏振分束棱镜2、样品池9、 入/4波片8、第二偏振分束棱镜7和第三全反射镜6,所述的第三全反射镜6与入射光方向垂直，所述入射的线偏振光经第一偏振分束棱镜2分成透射光和反射光,分别称为泵浦光和参考光，所述的泵浦光经所述的样品池9、λ /4波片8和第二偏振分束棱镜7后垂直地入射在所述的第三全反射镜6上，经第三全反射镜6反射后，沿原路返回作为探测光，经所述的第二偏振分束棱镜7、λ /4波片8、样品池9和第一偏振分束棱镜2反射进入所述的探测器10的第一光电探测器；
在所述的第一偏振分束棱镜2的参考光的光路上依次设置与光路成45°的第一全反射镜3和第二全反射镜4，使所述的参考光经第一全反射镜3和第二全反射镜4反射后从所述的第二偏振分束棱镜7的另一方向，即与所述的泵浦光垂直的方向进入所述的第二偏振分束棱镜7，该参考光经第二偏振分束棱镜7反射后经所述的λ /4波片8、样品池9和第一偏振分束棱镜2反射后进入所述的探测器10的第二光电探测器；
经第一光电探测器探测的探测光和经第二光电探测器探测的参考光的光信号分别转换成电压信号后经所述的减法器相减后输出，获得饱和吸收消多普勒加宽谱线的电信号。
所述的λ /2波片I具有转动调节机构，以调节泵浦光和参考光的光强。
所述的λ /4波片8具有转动调节机构，以调节探测光和参考光的光强。
在安装和调整光路时应注意
I.首先保证激光光束沿一条直线传播，放置λ /2波片I，然后放置第一偏振分束棱镜2，使光束分成两束垂直的光束，并且使通过的光束不要太靠近中心，稍微靠近边缘附近，这样可以使两束探测光之间的调节距离留有余地。
2.安装45度全反射镜3，使反射的光束与P光的传播方向束平行，与入射光成90度。
3.安装固定在一维直动平台5上面的45度全反射镜4，使反射光与入射光成90度。
4.放置第二偏振分束棱镜(PBS)7，使P光和S光分离开，打到PBS的两个边缘处， 这也需要保证一定的调节余量。
5.在第二偏振分束棱镜(PBS)7后面放置O度全反射镜6，一定要注意使入射光与反射光保持重合，可以用小孔保证入射光与反射光完全平行。
6.在样品池和第二偏振分束棱镜(PBS)7之间插入λ/4波片8。调节一维直动平台5，使探测光和参考光入射到探测器10中；调节λ /2波片I和λ /4波片8使得入射到探测器中的光强平衡。
7.插入待测样品9，调节λ /4波片8，获得尖锐，下沿平坦的饱和吸收消多普勒谱线。
—束线偏振激光入射到第一偏振分束棱镜2，将使一束光分成两束光沿原方向传播的透射光，称为泵浦光和与原来传播方向传播成90度夹角的反射光,称为参考光；同时通过旋转所述的λ/2波片1，可以改变泵浦光和参考光的光强大小，在这里我们选择泵浦光的光强大于参考光的光强。通过调节所述的λ/2波片I就可以调节参考光和探测光的光强平衡。
所述的泵浦光进入样品池9中，把样品的分子或原子全部激发到激发态能级，使之产生饱和效应。
所述的泵浦光通过样品池9之后，入射到λ /4波片8上面，光强减弱的泵浦光然后经过第二偏振分束棱镜7,再一次被分为P光和S光,透过第二偏振分束棱镜7的P光然后被第三全反射镜6原路反射回来，称为探测光。这样探测光路和泵浦光路在很短的距离内实现了完全重合。这束探测光再一次经过λ/4波片8，样品池9之后，被第一偏振分束棱镜2再一次反射，该探测光作为输入信号，进入探测器10的第一光电探测器。这里旋转 λ /4波片8，可以调节入射到探测器10内的探测光的光强大小。
所述的参考光，经过两块第一全反射镜3和第二全反射镜4反射，进入第二偏振分束棱镜7，经第二偏振分束棱镜7反射后传播方向被改变90度，经过λ /4波片8，经过样品池9，携带上多普勒加宽的信号，返回第一偏振分束棱镜2，再一次被分为P光和S光，其中传播方向改变了 90度的S光(参考光)作为输入信号，进入探测器10的第二光电探测器。 在这过程中，可以前后移动的直动平台5上面的第二全反射镜4，以改变参考光与探测光之间的距离。同时改变λ/4波片8，可以调节入射到探测器10内的参考光的光强大小。
入射到探测器10的参考光和探测光的光强大小被探测器10中的第一光电管和第二光电管探测转换为电压信号再经减法器相减，把这个相减之后的电压信号就是饱和吸收消多普勒加宽的谱线电压信号。如果送到示波器中，就可以看到一个下沿平坦的，多个尖锐峰的，饱和吸收消多普勒加宽的谱线波形。
综合以上各方面的因素可以看出，这种新型的饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，克服了传统上的一些缺点，具有以下几点优势
第一，占用空间较小。由于泵浦光与探测光可以完全重合，所以整个系统基本上只受到镜片等元器件的影响，不用再考虑探测光和泵浦光重合的角度问题。
第二，信噪比更高。由于泵浦光与探测光基本上可以完全重合，所以它们相互重叠的区域更广，因而可以获得更好的信号。
第三，探测光路和泵浦光路之间的距离可以灵活改变，不再受厚镜片分束器的限制。
第四，参考光与探测光之间的光强平衡更加容易调节。只要转动λ/2波片I或者 λ/4波片8，就可以方便地调节后面的探测光与参考光的光强，从而获得下边沿平坦的、锐利的消多普勒加宽的谱线。
第五，方形光路系统占空间的小的优点，利于集成，利用飞秒微加工技术，将来有可能把整个系统集成在一个芯片上面。
权利要求
1.一种饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，特征在于该装置包括λ/2波片(I)、第一偏振分束棱镜(2)、第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、一维位移平台(5)、第三全反射镜(6)、第二偏振分束棱镜(7)、λ/4波片(8)、样品池(9)和探测器(10)，上述各元部件的位置关系如下所述的探测器(10)包含第一光电探测器、第二光电探测器和一个减法器，第一光电探测器和第二光电探测器的输出端经所述的减法器输出；所述的第二全反射镜(4)置于所述的一维位移平台(5)上，以改变探测光和参考光之间的间距；沿入射的线偏振的激光方向依次是λ/2波片(I)、第一偏振分束棱镜(2)、样品池(9)、 入/4波片(8)、第二偏振分束棱镜(7)和第三全反射镜(6),所述的第三全反射镜(6)与入射光方向垂直，所述入射的线偏振光经第一偏振分束棱镜(2)分成透射光和反射光,分别称为泵浦光和参考光，所述的泵浦光经所述的样品池(9)、λ /4波片(8)和第二偏振分束棱镜(7)后垂直地入射在所述的第三全反射镜(6)上，经第三全反射镜(6)反射后，沿原路返回作为探测光，经所述的第二偏振分束棱镜(7)、λ/4波片(8)、样品池(9)和第一偏振分束棱镜(2)反射进入所述的探测器(10)的第一光电探测器；在所述的第一偏振分束棱镜(2)的参考光方向依次设置与光路成45°的第一全反射镜(3)和第二全反射镜(4)，使所述的参考光经第一全反射镜(3)和第二全反射镜(4)反射后从所述的第二偏振分束棱镜(7)的另一方向，即与所述的泵浦光垂直的方向进入所述的第二偏振分束棱镜(7)，该参考光经第二偏振分束棱镜(7)反射后经所述的λ/4波片(8)、 样品池(9)和第一偏振分束棱镜(2)反射后进入所述的探测器(10)的第二光电探测器； 经第一光电探测器探测的探测光和经第二光电探测器探测的参考光的光信号分别转换成电压信号后经所述的减法器相减后输出，获得饱和吸收消多普勒加宽谱线的电信号。
2.根据权利要求I所述的饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，其特征在于所述的λ/2 波片(I)具有转动调节机构，以调节探测光和参考光的光强。
3.根据权利要求I所述的饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，其特征在于所述的λ/4 波片(8)具有转动调节机构，以调节探测光和参考光的光强。
全文摘要
一种饱和吸收消多普勒加宽谱线的装置，包括λ/2波片、第一偏振分束棱镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第二偏振分束棱镜、λ/4波片、样品池和探测器，本发明使泵浦光和探测光的光束基本完全重合，可以获得更高的信噪比；整个系统的空间尺度只受到光学器件和样品池大小的限制，光路安排更加紧凑、灵活，使我们可以观测到原子分子的精细能级结构的谱线。
文档编号H01S3/137GK102983492SQ20121051774
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者崔国栋, 李晓林, 钱军, 王育竹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所