一种基于积分球的光学谐振腔及其实现方法与流程

本发明涉及激光技术及光学量子频率标准技术领域，尤其涉及一种基于积分球的光学谐振腔及其实现方法。

背景技术：

光学谐振腔通过使激光在腔内多次往返，利用往返光束之间的相干相长作用，可以实现光放大。自从激光产生以来，光学谐振腔已经发展成为激光科学领域不可或缺的器件之一，广泛应用于激光稳频、腔增强吸收光谱、引力波探测、光谱学、光学量子频率标准等方面。目前国际上应用较广泛的光学谐振腔包括法布里-珀罗谐振腔(f-p腔)、环形谐振腔、光学微球谐振腔等。其中，高精细度的法布里-珀罗谐振腔(f-p腔)经常被用于pdh(pound-drever-hall)稳频，通过eom(electro-opticmodulator电光调制器)对入射激光的频率进行调制，利用光外差探测及调制解调获得高信噪比的误差信号，将激光的频率锁定到超稳f-p腔上，这种技术被广泛应用于光频标中，获得窄线宽激光参考源。对于环形腔，其形状并非是规则的环形，而是通过分束器件和光学镜片组成三角形或矩形的光路，使激光在其中循环，所以被认为是环形谐振腔，因为环形腔特殊的形状，增强了腔与增益介质的相互作用，从而被用于实现nd:yag高功率激光器。光学微球谐振腔有着较高的品质因子，所以光学微球谐振腔在存储光信息方面，相比于其他光学微腔有着更强的能力，因此，光学微球谐振腔也被用于增强光谱信息，从而实现光谱信息的检测。

另一方面，积分球是一种内壁涂有漫反射材料的空腔球体，又称光度球或光通球，在其球壁上开有一个或几个窗孔作为通光孔用于进光和出光。因为其内壁是球面结构，而且内壁表面涂有高反射率漫反射涂料，所以进入积分球的光经过内壁多次的反射，在整个积分球内部空间形成了均匀的照度，而且入射光的入射角度、空间分布等都不会对输出光束的强度及均匀度造成影响，所以积分球可以降低测量时由于入射进探测器的光因不均匀或光束偏移造成的误差，因此积分球也经常被用于光度学中测试光源的光通量、色温、光效、辐射度等参数。此外，在光频标领域，积分球也被用于冷原子钟中，利用激光注入积分球所产生的漫反射光与背景气体的原子进行相互作用，在特定的激光频率下，可以使背景气体中的原子冷却，从而实现不同原子的积分球冷原子钟。

现有的光学谐振腔，比如pdh稳频中使用的超稳光学谐振腔，为了实现压窄激光线宽的目的，对腔镜镀膜要求很高，而且腔体材料选用热膨胀系数很低的材料，如单晶硅、ule、玻璃等，造价昂贵，且以此实现的稳频激光受腔长热噪声的影响很大，对环境振动很敏感，主要用于实验室环境下。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提出了一种基于积分球的光学谐振腔及其实现方法，本发明通过将积分球独特的结构设计成光学谐振腔，在积分球内表面涂上反射率大于98％的漫反射材料，同时在特定的位置留出用于通光的进光孔和出光孔，将作为增益介质的原子气体充入积分球内，结合外部的光路结构，形成光学谐振腔，用于形成受激辐射输出激光信号，最终实现基于积分球的光学谐振腔。本发明可以充分利用积分球的漫反射特性，令入射到积分球内的激光在腔体内进行无数次不规则的漫反射，根据朗伯余弦定律，积分球内会形成一个由入射激光形成的、均匀的漫反射光场，作为增益介质的原子气体通过与漫反射光进行相互作用而减速，直至其冷却下来。

相比于目前的技术方案，本发明专利申请有着以下优势：第一个优势是由于积分球光学谐振腔实现原子冷却的方法无需施加外部磁场，同时又因为积分球独特的球形结构不需要对激光进行准直操作，所以相比于光学黏团和磁光阱进行原子冷却的方法，积分球光学谐振腔更加简单、易于集成。第二个优势是由于漫反射光的特性，对于各种速度的原子都会有冷却效果，区别于热原子作为增益介质的光学腔，由冷原子作为增益介质，可以在极大程度上减小原子之间由于原子热运动引起的多普勒频移，也可以减小原子之间、原子与腔体内壁之间的碰撞频移。

本发明的技术方案是：

一种基于积分球的光学谐振腔及其实现方法，通过在密闭的积分球内表面涂上具有高反射率的漫反射涂料，在其球体内充入作为增益介质的原子气体，将一束泵浦光和几束冷却光射入积分球腔体，几束激光(即泵浦光和冷却光)在腔壁之间进行充分的漫反射，进而形成一个均匀的光场，由于漫反射光的特性使得冷却光对于各种速度的原子都会有冷却效果，所以腔体内的热原子被冷却，速度变低，而泵浦光在腔体内不断与原子进行相互作用后在积分球的出光孔射出，同时由于外部光路采用了较高反射率的镜片，所以一大部分光又被反射回积分球腔体内部，经过漫反射后从进光孔射出，进光孔外同样设置有外部光路结构，将大部分的光反射回积分球腔体，就这样，激光信号在光路与积分球之间不断反射，形成一种光反馈，从而实现基于积分球的光学谐振腔。泵浦光与冷却下来的原子进行相互作用之后，形成受激辐射，从而得到最终需要输出的钟激光信号。

基于积分球的光学谐振腔实现方法具体包括如下步骤：

1)泵浦光信号通过第一平凹镜、第一偏振分光棱镜后，从进光孔射入积分球腔体内，在积分球腔体内部进行不规律的漫反射，同时与腔体内的作为增益介质的原子气体进行相互作用，进行相互作用后的一部分漫反射光通过出光孔射向第二偏振分光棱镜；

2)射向第二偏振分光棱镜的光包含了不同的偏振方向，一部分被第二偏振分光棱镜反射向第二全反镜，由第二全反镜反射回积分球腔体内，另一部分偏振光通过第二偏振分光棱镜后，射向第二平凹镜，其中，一部分泵浦信号由此射出，另一部分则被第二平凹镜反射回积分球腔体内；

3)反射回积分球腔体的激光在积分球腔体内继续进行漫反射，经过无数次漫反射后一部分光从进光孔射出，射向第一偏振分光棱镜；

4)射向第一偏振分光棱镜的一部分偏振光被其反射给第一全反镜，之后被全部反射回积分球腔体，另一部分偏振光通过第二偏振分光棱镜射向第一平凹镜，其中一部分光通过第一平凹镜射出，另一部分光被第一平凹镜反射回积分球腔体；

5)射入积分球光学谐振腔的泵浦光信号就如步骤1)～步骤3)所描述的，不断在整个积分球谐振腔内进行来回的反射，从而实现坏腔激射，所得到的钟激光信号从积分球光学谐振腔射出；

步骤1)～步骤4)中，第一平凹镜和第二平凹镜经过了镀膜处理，不是100％透过率，这样操作是为了使一部分光透过平凹镜，一另部分光反射回去，从而使激光信号在谐振腔之间不断进行反射，实现坏腔激射，进而实现基于积分球的光学谐振腔。

具体实施时，本发明还提供一种基于积分球的光学谐振腔，包括：第一平凹镜、第一偏振分光棱镜、第一全反镜、内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体、第二偏振分光棱镜、第二平凹镜、第二全反镜。

激光信号在基于积分球的光学谐振腔内实现坏腔激射的总体过程为：泵浦光信号通过第一平凹镜、第一偏振分光棱镜后，从进光孔射入积分球腔体内，在积分球腔体内部进行不规律的漫反射，同时与腔体内的原子进行相互作用，进行相互作用后的一部分漫反射光通过出光孔射向第二偏振分光棱镜，这些包含着不同偏振方向的激光信号一部分被第二偏振分光棱镜反射向第二全反镜，通过第二全反镜又反射回积分球腔体，另一部分偏振光通过第二偏振分光棱镜后，射向第二平凹镜，其中，一部分光由此射出，另一部分则被第二平凹镜反射回积分球腔体内。反射回积分球腔体的激光在积分球腔体内继续进行漫反射，经过无数次漫反射后一部分光从进光孔射出，射向第一偏振分光棱镜，这些激光信号同样包含了多个偏振方向，由第一偏振分光棱镜将一部分偏振光反射给第一全反镜，之后又全部反射回积分球腔体，另一部分偏振光通过第一偏振分光棱镜射向第一平凹镜，其中一部分光通过第一平凹镜射出，另一部分光被第一平凹镜重新反射回积分球腔体。就这样，激光信号经过积分球腔体的漫反射后，不断在第一平凹镜和第二平凹镜之间进行反射，形成的光反馈实现了受激辐射，从而实现了基于积分球的光学谐振腔。

进一步，本发明所提到的作为增益介质的原子气体，可以是钾原子、铷原子、铯原子等碱金属原子气体，也可以是其他能够与特定波长的钟激光信号实现坏腔激射的原子气体。

进一步，本发明所设计的积分球光学谐振腔中，积分球腔体可以是内表面进行了抛光处理的铜质积分球光学腔体，可以是内部为高反射陶瓷材质的陶瓷积分球光学腔体，可以是内部镀银的积分球光学腔体，还可以是其他材质的积分球光学腔体，具体材质可以根据项目需求进行决定，不限于本文所提及的腔体材质。

进一步，积分球腔体内部所涂的漫反射材料可以是具有高朗伯特性的白色水基硫酸钡反射材料，但是不限于此，也可以为其他具有高衍射效率的漫反射材料。

进一步，积分球光学腔体的进光孔和出光孔的位置不限于本专利附图中的角度，本专利仅仅是通过这样的例子进行说明，可以根据具体的项目需要进行设置在不同的位置，同时，基于积分球的光学谐振腔在光路部分的设计，也不仅仅局限于附图中的几种思路，可以根据不同系统的具体需要进行灵活地调整。有些光学频率标准因为光路的设计，对于入射光和出射光的方向是有特定要求的，采用本发明基于积分球的光学谐振腔的好处就是即使将孔设置在不同的位置，同样可以很容易地实现原子冷却和坏腔激射，从而得到需要的钟激光信号。

进一步，积分球光学腔体的进光孔与出光孔之间设有遮蔽屏，遮蔽屏表面涂有和积分球光学腔体内部一致的漫反射材料，其具体位置是进光孔和出光孔所在的直线上，且大小要大于进光孔和出光孔的直径，设置遮蔽屏的目的是防止激光从积分球腔体的进光孔射入后，直接从出光孔射出，没有在积分球内部进行漫反射，从而使积分球腔体的积分功能失效。

进一步，积分球的进光孔和出光孔可以加上光阑装置，分别用来调节入射激光和射出激光的强度，避免因激光强度过高而损坏积分球腔体或者后续光路中的探测仪器。

进一步，为了使积分球光学谐振腔可以更好地实现受激辐射，降低光功率在传播上的损耗，系统在第一平凹镜和第二平凹镜上都镀有一定反射率的介质膜，满足实现受激辐射的条件，即实现泵浦光波段的增透和钟激光波段一定的反射率，从而生成钟激光信号。

与现有技术相比，本发明的技术创新性是：

1、本发明提供了一种基于积分球的光学谐振腔及其实现方法，将积分球用于光学谐振腔结构，作为增益介质的容器，通过其独特的球形结构和其内部进行处理后所具有的漫反射特性，实现原子冷却的方法，无需施加外部磁场，同时又因为积分球独特的球形结构不需要对激光进行准直操作，使得原子冷却在操作上变得更加简单、易于集成。

2、本发明通过基于积分球的光学谐振腔实现了原子的冷却，在原子光频标领域中相比于热原子，可以在极大程度上减小由于原子热运动引起的多普勒频移，也可以减小原子之间、原子与腔体内壁之间的碰撞频移，从而大幅度提升光频标系统的频率稳定度。

3、本发明所实现的基于积分球的光学谐振腔不仅仅可以用于形成受激辐射输出激光信号，同时使得光学谐振腔在形状上不仅限于直线型或者环形结构，也可以为其他需要使用光学谐振腔的系统或技术领域提供了新的思路和方法。

附图说明

图1为本发明基于积分球的光学谐振腔的光路图；

图2为另一种基于积分球的光学谐振腔的光路图；

其中：1—第一平凹镜、2—第一偏振分光棱镜、3—第一全反镜、4—内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体、5—第二偏振分光棱镜、6—第二平凹镜、7—第二全反镜。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明，其中图2的工作原理与图1类似，本发明仅仅是列举了一种不同的思路和方法，但不仅限于此，此处仅以图1为例进行说明。

如图1所示，基于积分球的光学谐振腔包括：

第一平凹镜1、第一偏振分光棱镜2、第一全反镜3、内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4、第二偏振分光棱镜5、第二平凹镜6、第二全反镜7。

泵浦光信号通过第一平凹镜1、第一偏振分光棱镜2后，从进光孔射入内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内，在内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内部进行不规律的漫反射，同时与内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4的原子进行相互作用，进行相互作用后的一部分漫反射光通过出光孔射向第二偏振分光棱镜5，这些包含着不同偏振方向的激光信号一部分被第二偏振分光棱镜5反射向第二全反镜7，通过第二全反镜7又反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4，另一部分偏振光通过第二偏振分光棱镜5后，射向第二平凹镜6，其中，一部分光由此射出，另一部分则被第二平凹镜6反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4。反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4的激光在内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内继续进行漫反射，经过无数次漫反射后一部分光从进光孔射出，射向第一偏振分光棱镜2，这些激光信号同样包含了多个偏振方向，由第一偏振分光棱镜2将一部分偏振光反射给第一全反镜3，之后又全部反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4，另一部分偏振光通过第一偏振分光棱镜2射向第一平凹镜1，其中一部分光通过第一平凹镜1射出，另一部分光被第一平凹镜1重新反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4。就这样，激光信号经过内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4，不断在第一平凹镜1和第二平凹镜6之间进行反射，形成的光反馈实现了坏腔激射，从而实现了基于积分球的光学谐振腔。

另一种基于积分球的光学谐振腔的光路图如图2所示。

泵浦光信号通过第一平凹镜1后，从进光孔射入内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内，在内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内部进行不规律的漫反射，同时与内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4的原子进行相互作用，进行相互作用后的一部分漫反射光通过出光孔射向第二平凹镜6，其中，一部分光由此射出，另一部分则被第二平凹镜6反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4。反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4的激光在内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4内继续进行漫反射，经过无数次漫反射后一部分光从进光孔射出，射向第一平凹镜1，其中一部分光通过第一平凹镜1射出，另一部分光被第一平凹镜1重新反射回内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4。就这样，激光信号经过内壁涂有漫反射涂料的积分球腔体4，不断在第一平凹镜1和第二平凹镜6之间进行反射，构成的光反馈形成受激辐射，从而实现了基于积分球的光学谐振腔。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。上述的替换包括积分球腔体不同材质的替换，以及内壁所采用的漫反射材料的替换。上述的替换包括积分球光学谐振腔外部光路结构的替换。上述的替换还包括积分球腔体进光孔、出光孔位置、角度的替换，根据不同系统、不同工程项目所需的任何位置都是可以的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。