单光束饱和吸收稳频光学装置制造方法
【专利摘要】一种主要用于激光器稳频的单光束饱和吸收稳频光学装置，其特点在于：包括依次安装在光学基座上的同光轴的二分之一波片、偏振分束器、原子吸收泡和弱电流放大器，所述的原子吸收泡的前后表面平行，前表面为增透膜，后表面为部分反射膜。本发明的装置结构简单、易于调节、稳定性高，并且容易实现小型化与模块化，可移植性强。
【专利说明】单光束饱和吸收稳频光学装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学稳频，特别是一种主要用于激光器稳频单光束饱和吸收稳频光学
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【背景技术】
[0002]半导体激光器广泛应用于精密光谱、原子冷却、量子时频等领域。在原子冷却与量子时频等领域中首先要对半导体激光器进行稳频，目前实验室应用较为广泛的稳频光学系统为饱和吸收稳频系统。现有的饱和吸收系统分为两类:有参考光的饱和吸收系统和无参考光的饱和吸收系统。应用于激光器稳频时，两种系统均可实现消多普勒加宽的精密光谱，但有参考光的饱和吸收系统经过电子学运算可以得到没有多普勒本底的饱和吸收峰，系统复杂，调节困难，多应用于精密光谱的研究中。而在实际应用中多使用没有参考光的饱和吸收系统。
[0003]通常的无参考光的饱和吸收系统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°全反镜和弱电流放大器几个部分，见附图1。激光器I输出的光束经过二分之波片2、偏振分束器3分出一小部分用于激光器稳频，该光束先后经过原子吸收泡
4、四分之一波片5入射到0°全反镜6上，作为饱和吸收光学系统中的泵浦光。入射到0°全反镜6上的光束经过反射沿原光路返回至偏振分束器3处，由于该光束两次通过四分之一波片5,其偏振方向改变90° ,在偏振分束器3处发生反射后入射到弱电流放大器7上，由弱电流放大器7进行采集输入至激光器伺服系统8上，通过激光器伺服系统8对激光器I进行稳频，具体实施方法参阅文献‘Appl.Phys.B84, 683-690(2006) ’中figure3的相应部分。
[0004]上述的饱和吸收光学系统，包含多个光学器件，装置较为复杂，在实际应用中存在诸多问题:
[0005]I)调节困难，饱和吸收的产生需要探测光的高度重合，现有的没有参考光的饱和吸收系统利用0°全反镜6的调整来实现，调节困难。
[0006]2)稳定性差，获得稳定的激光频率输出需要稳频所用鉴频信号足够稳定，现有的没有参考光的饱和吸收系统中7采集到的鉴频信号的强度、稳定度由系统中的四分之一波片5和0°全反镜6决定，环境的振动、温度的变化都会使得光路受到影响，从而引起鉴频信号的变化，使得激光器稳频性能变差。
[0007]3)对光学元件要求较高，为了得到最大光功率利用率，需要通过四分之一波片5调整返回光束的偏振 ，使其恰好改变90°，这样返回光在偏振分束器3处全部反射后完全由弱电流放大器7采集，因此，四分之一波片5 —般要求为真零级四分之一波片，价格昂贵，且调节难度大。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服上述现有系统的不足，提供一种主要用于激光器稳频单光束饱和吸收稳频光学装置，该装置结构简单、调节方便、稳定性强，可以为激光器稳频提供稳定的鉴频信号。
[0009]本发明的技术解决方案如下:
[0010]一种主要用于激光器稳频的单光束饱和吸收稳频光学装置，其特点在于:包括依次安装在光学基座上的同光轴的二分之一波片、偏振分束器、原子吸收泡和弱电流放大器，所述的原子吸收泡的前后表面平行，前表面为增透膜，后表面为部分反射膜。
[0011]所述的原子吸收泡通过安装座进行安装，原子吸收泡的安装座的前后端盖上设有通光的小孔，该小孔的孔径为光束的高斯半径，所述的原子吸收泡的安装座采用高磁导率材料包围。
[0012]所述的部分反射膜的反射率根据经验确定，选取不同原子的不同饱和吸收峰作为激光器稳频的稳频点时，该部分反射膜的反射率不同。
[0013]本发明的技术效果:
[0014]I)原子吸收泡前表面镀增透膜，提高了光功率的利用率。
[0015]2)原子吸收泡后表面镀部分反射膜，光束分为两部分，一部分被反射沿原路径返回，作为饱和吸收光路中的泵浦光，另一部分透射后作为探测光被弱电流放大器收集并为激光器稳频提供鉴频信号。该方法使得激光光束单次通过饱和吸收稳频支路就可获得激光器稳频所需的鉴频信号。
[0016]3)由于本发明中没有使用四分之一波片和0°全反镜，光学系统结构得到了简化，调节难度大大降低。
[0017]4)本发明中使用上述原子吸收泡、没有使用四分之一波片和0°反射镜，泵浦光与探测光的重合程度不再取决于外部调整支架，而是由光束入射到上述原子吸收泡的角度所决定，在调节时，只要保证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动、温度等环境影响，提高稳频光路的稳定度。
[0018]5)本发明中弱电流放大器采集到的信号强度由入射到稳频支路的光功率强度决定，光路调整完毕后即可获得强度稳定的鉴频信号。
[0019]6)本发明所述的光学基座，在所述的原子吸收泡的前后端盖上设有通光的小孔，该小孔的孔径为光束的高斯半径。原子吸收泡的端盖小孔的加入，减少了杂散光的干扰，安装座采用高磁导率材料包围有效地屏蔽了外界磁场的扰动，从而得到噪声水平低的鉴频信号，提高激光器的稳定度。
[0020]本发明结构简单，调节简易，占用空间少，获得激光器稳频信号噪声小，稳定度高，有利于提高激光器稳频的稳定度，且该装置容易集成在一个光学基座上，易于小型化、模块化。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1虚线框中部分为现有的没有参考光的饱和吸收光学系统的原理框图。
[0022]图2是本发明单光束饱和吸收稳频光学装置实施例的结构框图。
[0023]图中，I为激光器，2为二分之一波片，3为偏振分束器(PBS)，4为原子吸收泡，5为四分之一波片，6为0°全反镜,7为弱电流放大器,8为激光器伺服系统。1、8组成激光器系统，2至7组成现有的饱和吸收稳频光学系统。I至8形成一个锁定回路对激光器频率进行锁定。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0025]对于冷原子Rb喷泉需要激光器提供频率稳定的冷却光，实验室利用激光器DL100稳频至87Rb的F = 2到F，= 2和F，=3的交叉峰上，在通过声光调制器AOM移频获得所需要的冷却光的频率。在对DL100进行稳频时，常采用饱和吸收稳频策略，需要搭建饱和吸收稳频光学系统。
[0026]先请参阅图2，图2是本发明单光束饱和吸收稳频光学装置实施例的结构框图。由图可见，本发明单光束饱和吸收稳频光学装置，包括依次安装在光学基座上的同光轴的二分之一波片2、偏振分束器3、原子吸收泡4和弱电流放大器7，所述的原子吸收泡4的前后表面平行，前表面为增透膜，后表面为部分反射膜。
[0027]所述的原子吸收泡4通过安装座进行安装，原子吸收泡的安装座的前后端盖上设有通光的小孔，该小孔的孔径为光束的高斯半径，所述的原子吸收泡的安装座采用高磁导率材料包围。(图中未示)。
[0028]所述光学元件连同其安装座安装于一个光学基座上，光学元件安装座根据整个光路的光心高度设计加工，并保持光学设计要求。
[0029]所述所有光学元件的光学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单独集成在一个安装座上，保持二分之波片可调并可以利用锁紧孔进行锁紧。
[0031]所述原子吸收泡按前述方法进行光学镀膜处理，前表面镀780nm的增透膜，后表面镀780nm反射率为20%的部分反透膜。该反射率为实验室经验值。
[0032]所述原子吸收泡可通过在其安装座前后表面端盖加小孔，实现减少杂散光的目的。
[0033]所述原子吸收泡安装座选用坡莫合金制作，对外界磁场起到屏蔽作用，获得稳定的鉴频信号。
[0034]激光束依次通过上述光学元件后被弱电流放大器采集，信号经过放大处理后作为鉴频信号提供给激光器DL100的伺服系统，用于激光器DL100的稳频，并通过示波器观察鉴频信号与经伺服系统处理后的误差信号。
[0035]根据实验结果发现鉴频信号中87Rb的F = 2到F，= 2和F，= 3的交叉峰及其对应的误差信号噪声水平低，信号强度稳定，信号线型清晰。利用该信号锁定激光器DL100比利用现有的没有参考光的饱和吸收光学系统进行锁定更容易，且锁定后更稳定，从而得到稳定性高的鉴频信号，提高激光器稳频的稳定度，且调节简单，固化后使用者无需进行反复调试即可安装于光学系统中，获得稳定的饱和吸收信号。
【权利要求】
1.一种单光束饱和吸收稳频光学装置，其特征在于:包括依次安装在光学基座上的同光轴的二分之一波片(2)、偏振分束器(3)、原子吸收泡(4)和弱电流放大器(7)，所述的原子吸收泡(4)的前后表面平行，前表面为增透膜，后表面为部分反射膜。
2.根据权利要求1所述的单光束饱和吸收稳频光学装置，其特征在于:所述的原子吸收泡(4)通过安装座进行安装，原子吸收泡的安装座的前后端盖上设有通光的小孔，该小孔的孔径为光束的高斯半径，所述的原子吸收泡的安装座采用高磁导率材料包围。
3.根据权利要求1所述的单光束饱和吸收稳频光学装置，其特征在于:所述的部分反射膜的反射率根据经验确定。
【文档编号】H01S5/022GK103986062SQ201410184410
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月4日 优先权日:2014年5月4日
【发明者】任伟, 张远涛, 项静峰, 吕德胜, 汪斌, 刘亮 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所