一种用于外调制饱和吸收光谱的集成装置的制作方法

本发明涉及激光频率稳定领域，具体涉及一种用于外调制饱和吸收光谱的集成装置。

背景技术：

近年来，随着激光光源的不断发展，激光器已成为基础物理研究、精密测量和惯性导航等领域的重要组成部分。对于量子模拟、量子计算、原子钟、光钟、原子磁力仪、冷原子干涉陀螺仪、serf陀螺仪和核磁共振陀螺仪等精密测量应用，频率稳定的激光光源都是核心部件。

外调制原子光谱稳频技术是目前精密测量应用中最为广泛使用的一种频率稳定技术，该技术无需调制激光光源电流即可产生鉴频误差信号，具有极好的相位噪声特性。但是，由于外调制原子光谱稳频系统对进入光谱的泵浦光和探测光进行调制，存在相当数量用于偏振控制、光强控制、分束和合束的光学元件。过多的光学元件，不但引入了更多的机械噪声，也增加了稳频光谱的空间体积，降低了稳频光谱的稳定性和集成性，影响了相关具体应用的精度、稳定度和集成度。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于外调制饱和吸收光谱的集成装置，该装置简便、成本低，误差信号可直接在零点工作。

本发明的技术方案是：一种用于外调制饱和吸收光谱的集成装置，包括物理系统和电路系统；物理系统用于实现光与原子的相互作用，电路系统用于实现对外部饱和吸收信号的探测、外调制和解调。

所述物理系统包括光电探测器、偏振分束棱镜、碱金属原子气室、衰减片、四分之一波片和粘有pzt的零度反射镜；光电探测器、偏振分束棱镜、碱金属原子气室、衰减片、四分之一波片和粘在pzt上的零度反射镜从左至右依次放置，并保证在同一轴线上。

装置接收光信号后传送至偏振分束棱镜，其中s偏振激光被偏振分束棱镜反射后作为饱和吸收光谱的泵浦光传送至碱金属原子气室，之后依次通过衰减片、四分之一波片，再经粘在pzt上的零度反射镜反射后，原路返回再次通过四分之一波片和衰减片后偏振变为p偏振，并作为饱和吸收光谱的探测光传送到碱金属原子气室，最后透过偏振分束棱镜传送至光电探测器实现对饱和吸收光谱的探测。

所述电路系统包括锁相放大器、pzt高压控制器和正弦信号发生器；pzt高压控制器与pzt相连，用于提供pzt工作电压；正弦信号发生器信号经分路器分路后，一部分与pzt高压控制器相连，作为调制信号控制pzt伸缩变化，另一部分与锁相放大器相连，作为锁相放大器的参考信号；锁相放大器还与光电探测器相连，用于将光电探测器探测得到的调制后的饱和吸收信号中，通过正弦信号发生器的参考信号，解调出相应的鉴频信号。

所述分路器采用bnct型连接器。

所述装置接收的光信号由激光光源产生，所述激光光源采用外腔式可调谐半导体激光器，型号为topticadl100，中心波长为780nm，线宽约4mhz，激光偏振态为线偏振；

从激光光源输出的激光通过pbs分500μw激光入射至偏振分束棱镜。

所述pzt驱动电压调制信号频率725hz，高电平1.03v，低电平0v。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用pzt反射式饱和吸收光路实现外调制稳频，光路简便，减少光学元件，降低稳频光谱空间体积，可直接产生鉴频误差信号，显著提高了稳频光谱的稳定性；

(2)本发明饱和吸收光谱中，仅通过pzt本身改变反射的探测光的相位，不改变泵浦光对原子非线性作用，且无需调制激光光源电流对激光器所有输出激光进行调制，具有极好的相位噪声特性，进一步提高稳频光谱的稳定性。

附图说明

图1是本发明系统连接与结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本发明系统连接与结构如图1所示，本发明提供的用于半导体激光器的小型化饱和吸收光谱装置分为物理系统和电路系统两部分，两部分之间通过导线连接。物理系统由光电探测器101、偏振分束棱镜102、碱金属原子气室103、衰减片104、四分之一波片105和粘在pzt107上的零度反射镜106组成，用于实现光与原子相互作用。电路系统由锁相放大器201、pzt高压控制器202和正弦信号发生器203组成，用于通过调制pzt实现饱和吸收谱的调制，直接解调获得鉴频曲线。

激光器输出激光垂直入射进入偏振分束棱镜102，其s偏振激光被反射后作为饱和吸收光谱的泵浦光传送至碱金属原子气室103；之后分别通过衰减片104、四分之一波片105并经粘在pzt107的零度反射镜106反射后，原路返回再次通过四分之一波片105和衰减片104后偏振变为p偏振并作为饱和吸收光谱的探测光传送到碱金属原子气室103，最后透过偏振分束棱镜102传送至光电探测器101实现对饱和吸收光谱的探测。

其中：

光电探测器101用于接收带有饱和吸收光谱信息以及携带调制信号的饱和吸收光谱的光信号，之后将光信号转换为电信号输出；

偏振分束棱镜102用于将入射激光的s偏振分量反射后作为泵浦光送至碱金属原子气室104中，以及将经零度反射镜104反射后再次通过四分之一波片105后转换为p偏振的探测光透过传送到光电探测器101。

碱金属原子气室103用于存放碱金属原子，是实现饱和吸收效应的场所。实现光与原子的相互作用，其中泵浦光通过碱金属原子气室103后将原子泵浦到了激发态，探测光将无损耗的通过碱金属原子气室103，因此在探测光强度和频率的曲线上，共振频率处出现尖峰，既饱和吸收峰。

衰减片104用于将功率较大的泵浦光衰减后作为探测光，实现对饱和吸收光谱信号的探测。

四分之一波片105用于控制激光的偏振，激光两次通过四分之一波片105后可以将s偏振旋转为p偏振，最后穿过偏振分束棱镜102传送至光电探测器101。

零度反射镜106粘在pzt107上，用于实现对激光传播方向的改变，可以将激光原路返回。

pzt107用于粘接零度反射镜106，通过高压驱动源203可实现其自由伸缩，改变光谱信号环路的腔长，加载正弦信号的高频调制时，可将信号调制加载到其饱和吸收光谱中经过反射镜反射回的探测光信号中。

本发明激光光源采用外腔式可调谐半导体激光器，型号为topticadl100，中心波长为780nm，线宽约4mhz，激光偏振态为线偏振；输出激光通过pbs分500μw激光入射进入本发明光谱中。pzt驱动电压调制信号频率725hz，高电平1.03v，低电平0v。本发明产生的饱和吸收光谱鉴频曲线图，可分辨rb原子的超精细结构跃迁的峰值。

本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种用于外调制饱和吸收光谱的集成装置，该装置由物理系统和电路系统构成，两部分之间通过信号线连接。物理系统由光电探测器、偏振分束棱镜、碱金属原子气室、衰减片、四分之一波片和粘在PZT上的零度反射镜组成；电路系统由锁相放大器、PZT高压控制器和正弦信号发生器组成。经PZT驱动电压电调制可直接获得外调制的饱和吸收光谱，经解调获得鉴频曲线。本发明与现有技术相比结构紧凑，噪声低。

技术研发人员：李嘉华;姜伯楠;段宇鹏;魏小刚
受保护的技术使用者：北京航天控制仪器研究所
技术研发日：2018.12.19
技术公布日：2019.02.22