一種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，包括：一臺455nm波長的泵浦激光器；一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器；一個具有堿金屬銫原子的玻璃氣室；一個磁場屏蔽盒，用于對所述堿金屬銫原子玻璃氣室的地球磁場的隔離；一個溫度控制電路，用于控制所述堿金屬銫原子的玻璃氣室的溫度控制和穩(wěn)定；以及一個鎖屏電路，用于將728nm波長的半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定在銫原子的5D激發(fā)態(tài)到到6F激發(fā)態(tài)之間的728nm激光光譜線上。本發(fā)明的有益效果是：原理明晰，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，對特殊條件下的激光波長計的波長校準、相干光通信、雷達信號同步、光頻原子鐘等不同學(xué)科領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用意義。
【專利說明】一種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器技術(shù)和穩(wěn)頻激光標準【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于銫原子激發(fā)態(tài)精密激光光譜穩(wěn)頻的激光標準，具體涉及一種基于堿金屬銫原子激發(fā)態(tài)之間728nm半導(dǎo)體激光精密光譜穩(wěn)頻的激光標準產(chǎn)生裝置及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002]原子的精密激光光譜可以用于穩(wěn)頻各種不同的激光器，得到頻率具有絕對標準意義的穩(wěn)頻激光標準，通常也稱作激光頻率標準。如果再結(jié)合現(xiàn)在已經(jīng)成熟的飛秒激光頻率梳技術(shù)，就可以實現(xiàn)光頻原子鐘。在具體的應(yīng)用方面，利用原子躍遷譜線實現(xiàn)的精密激光光譜穩(wěn)頻的激光標準對于相干光通信、雷達信號同步、光頻原子鐘等不同科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域都有著重要應(yīng)用。
[0003]原子譜穩(wěn)頻激光標準的輸出波長決定于所利用的原子、分子、離子躍遷能級對應(yīng)的譜線波長，具有絕對確定值的內(nèi)稟特性，即具體波長與其對應(yīng)原子譜線具有非常明確的一一對應(yīng)特征。國內(nèi)外已有的文章和專利報道等文獻信息中，已有較多不同原子的不同波長實現(xiàn)的穩(wěn)頻激光，但是對728nm波長，目前沒有任何具體的相關(guān)報導(dǎo)。堿金屬銫原子具有很低的熔點，非常容易通過玻璃汽室中的銫氣體得到譜線，而728nm波段又有半導(dǎo)體激光器，此外為了實現(xiàn)銫原子的激發(fā)態(tài)728nm激光光譜，可以利用455nm激光泵浦而實現(xiàn)。
[0004]本發(fā)明中我們利用堿金屬銫原子氣體的氣室，來構(gòu)建一種728nm穩(wěn)頻激光標準及其方法。這種728nm波段的原子譜穩(wěn)頻激光標準及其方法，從未被提出或報道過，具有不同于以往原子穩(wěn)頻激光標準的新功能，可用于激光波長計的波長校準、相干光通信、雷達信號同步、光頻原子鐘等不同學(xué)科領(lǐng)域。
[0005]銫原子由于具有外殼層只有一個電子、能級結(jié)構(gòu)較簡單、熔點低、第一激發(fā)態(tài)對應(yīng)波長的激光器較易獲得等性能，在原子光譜和原子物理領(lǐng)域得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，比如微波原子鐘、國際單位秒定義的實現(xiàn)、激光冷卻技術(shù)、原子干涉儀、原子磁力儀、原子濾光器等等。但是我們也注意到，銫原子激發(fā)態(tài)與激發(fā)態(tài)之間存在的728nm躍遷，其對用的激光光譜從來沒有被研究過，也沒有以此發(fā)展出相關(guān)的應(yīng)用。然而，隨著基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，以及各種不同應(yīng)用場景需求的提高和普及，越來越需要不同波長的穩(wěn)頻激光標準提供確定波長的絕對標準。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置及其方法。
[0007]本發(fā)明的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，包括:
[0008]一臺455nm波長的泵浦激光器；
[0009]一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器；
[0010]一個具有堿金屬銫原子的玻璃氣室；
[0011]一個磁場屏蔽盒，用于對所述堿金屬銫原子玻璃氣室的地球磁場的隔離；
[0012]一個溫度控制電路，用于控制所述堿金屬銫原子的玻璃氣室的溫度控制和穩(wěn)定；以及
[0013]一個鎖屏電路，用于將728nm波長的半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定在銫原子的?激發(fā)態(tài)到到6F激發(fā)態(tài)之間的728nm激光光譜線上。
[0014]作為優(yōu)選:所述溫度控制電路包括加熱部分和測溫部分，用于穩(wěn)定銫原子氣室工作時堿金屬銫原子蒸汽的溫度，其加熱部分對銫原子氣體玻璃氣室5的進行加熱，并保證沒有銫原子金屬凝結(jié)到玻璃氣室5的兩個端面上阻礙光通過；測溫部分緊貼銫原子玻璃氣室進行溫度測量。
[0015]作為優(yōu)選:所述溫度控制電路的加熱部分為加熱絲或加熱芯片方式加熱，測溫部分為熱敏電阻或熱電偶測溫。
[0016]作為優(yōu)選:所述磁場磁屏蔽盒為5mm到9mm厚生鐵材質(zhì)的盒子，兩端面開有通光孔。
[0017]這種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置的方法，包括如下步驟:
[0018]1)在地球磁場隔離的條件下，使用充有堿金屬銫原子的控溫玻璃氣室；
[0019]2)調(diào)節(jié)優(yōu)化好所述一臺455nm波長的泵浦激光器，激發(fā)銫原子玻璃氣室中的原子，將之從6S基態(tài)泵浦到7P態(tài)，并讓銫原子自發(fā)輻射回落到態(tài)；
[0020]3)調(diào)節(jié)優(yōu)化好所述一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器，利用雙色鏡讓728nm激光光束與通過銫原子氣室的455nm激光光束方向相反，又在空間上重疊。利用溫度控制電路系統(tǒng)對所述堿金屬銫原子的玻璃氣室進行溫度控制，讓態(tài)的原子在728nm半導(dǎo)體激光的作用之下激發(fā)到6F態(tài)得到728nm激光光譜線，達到728nm激光光譜信號效果在最優(yōu)的條件；
[0021]4)調(diào)節(jié)優(yōu)化728nm激光光譜信號后，利用穩(wěn)頻電路，將728nm半導(dǎo)體激光的頻率穩(wěn)頻在
[0022]銫原子的728nm激光光譜信號上，從而實現(xiàn)一種728nm穩(wěn)頻激光標準。
[0023]作為優(yōu)選:步驟1)中銫原子玻璃氣室5內(nèi)充入100微克以上的堿金屬銫原子氣體。
[0024]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用了堿金屬銫原子高激發(fā)態(tài)譜線存在窄線寬728nm能級躍遷譜線結(jié)構(gòu)的特性，利用在455nm波長激光泵浦，實現(xiàn)了一種基于堿金屬銫原子氣室的一種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，并提供了其實現(xiàn)方法。本發(fā)明的基于堿金屬銫原子的一種728nm穩(wěn)頻激光標準，原理明晰，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，性能穩(wěn)定，對特殊條件下的激光波長計的波長校準、相干光通信、雷達信號同步、光頻原子鐘等不同學(xué)科領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明實施例的銫原子728nm相關(guān)能級結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖3為鎖定穩(wěn)頻后728nm穩(wěn)頻激光光譜圖。
[0028]附圖標記說明:泵浦激光器1 ;第一雙色鏡2，第二雙色鏡3 ;半導(dǎo)體激光器4 ;氣室5 ;磁屏蔽盒6 ;光電探測器7 ;鎖頻電路8。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步描述。雖然本發(fā)明將結(jié)合較佳實施例進行描述，但應(yīng)知道，并不表示本發(fā)明限制在所述實施例中。相反，本發(fā)明將涵蓋可包含在有附后權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)的替換物、改進型和等同物。
[0030]如圖1至圖3所示，將一臺455nm泵浦激光器I輸出的455nm激光束經(jīng)過第一雙色鏡2，到達處于磁屏蔽盒6中的溫控堿金屬銫原子玻璃氣室5，接著由第二雙色鏡3反射出光路，所述455nm波長的泵浦激光器波長調(diào)節(jié)至銫原子6S基態(tài)泵浦到7P態(tài)的躍遷譜線并鎖定。調(diào)節(jié)一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器4，用雙色鏡讓728nm激光光束與通過銫原子氣室的455nm激光光束方向相反但又在空間上光束重疊，讓728nm激光通過第二雙色鏡3后由光電探測器7接受信號后輸給鎖頻電路8，用于鎖定728nm波長的半導(dǎo)體激光器4。利用溫度控制電路系統(tǒng)對所述堿金屬銫原子的玻璃氣室5進行溫度控制，達到728nm激光光譜信號效果在最優(yōu)的條件，并讓自發(fā)輻射回落到態(tài)的銫原子在728nm半導(dǎo)體激光的作用之下激發(fā)到6F態(tài)得到728nm激光光譜線。上述728nm波長的半導(dǎo)體激光器4由光電探測器7接受信號后由鎖頻電路8鎖定穩(wěn)頻后，就實現(xiàn)了一種728nm穩(wěn)頻激光標準。
[0031]溫度控制電路包括加熱部分和測溫部分，用于穩(wěn)定銫原子氣室5工作時堿金屬銫原子蒸汽的溫度，其加熱部分對銫原子氣體玻璃氣室5的進行加熱，并保證沒有銫原子金屬凝結(jié)到玻璃氣室5的兩個端面上阻礙光通過；測溫部分緊貼銫原子玻璃氣室5進行溫度測量。
[0032]在上述實施例中,磁場磁屏蔽盒6是由5mm到9mm厚的生鐵制作的盒子,兩端面開有通光孔。
[0033]在上述實施例中，光學(xué)反射鏡和銫原子泡的材質(zhì)可為玻璃或石英；溫度控制系統(tǒng)可用加熱絲或加熱芯片方式加熱，用熱敏電阻或熱電偶測溫。
[0034]在上述實施例中，銫原子玻璃氣室5內(nèi)充入100微克以上的堿金屬銫原子氣體。
[0035]為應(yīng)用上述一種728nm穩(wěn)頻激光標準的方法，包括如下實施步驟:
[0036]步驟1:利用一個處于磁屏蔽盒6中充有堿金屬銫原子的溫控玻璃氣室5，由一臺455nm波長的泵浦激光器I，將銫原子從6S基態(tài)泵浦到7P態(tài)的躍遷譜線并鎖定；
[0037]步驟2:利用一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器4，并用雙色鏡讓728nm激光光束與通過銫原子氣室5的455nm激光光束方向相反但又在空間上光束重疊，讓728nm激光通過雙色鏡后由光電探測器接受銫原子從態(tài)到6F態(tài)躍遷的728nm激光光譜線信號，由鎖頻電路8鎖定穩(wěn)頻后實現(xiàn)了一種728nm穩(wěn)頻激光標準。
[0038]上述實施例的基于堿金屬銫原子一種728nm穩(wěn)頻激光標準,利用溫度控制電路對堿金屬銫原子玻璃氣室5進行溫控提高激光標準系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.一種728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括: 一臺455nm波長的泵浦激光器； 一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器； 一個具有堿金屬銫原子的玻璃氣室； 一個磁場屏蔽盒，用于對所述堿金屬銫原子玻璃氣室的地球磁場的隔離； 一個溫度控制電路，用于控制所述堿金屬銫原子的玻璃氣室的溫度控制和穩(wěn)定；以及 一個鎖屏電路，用于將728nm波長的半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定在銫原子的?激發(fā)態(tài)到到6F激發(fā)態(tài)之間的728nm激光光譜線上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，其特征在于:所述溫度控制電路包括加熱部分和測溫部分，用于穩(wěn)定銫原子氣室工作時堿金屬銫原子蒸汽的溫度，其加熱部分對銫原子氣體玻璃氣室5的進行加熱，并保證沒有銫原子金屬凝結(jié)到玻璃氣室5的兩個端面上阻礙光通過；測溫部分緊貼銫原子玻璃氣室進行溫度測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，其特征在于:所述溫度控制電路的加熱部分為加熱絲或加熱芯片方式加熱，測溫部分為熱敏電阻或熱電偶測溫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置，其特征在于:所述磁場磁屏蔽盒為5_到9mm厚生鐵材質(zhì)的盒子,兩端面開有通光孔。
5.一種權(quán)利要求1所述的728nm穩(wěn)頻激光標準產(chǎn)生裝置的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)在地球磁場隔離的條件下，使用充有堿金屬銫原子的控溫玻璃氣室； 2)調(diào)節(jié)優(yōu)化好所述一臺455nm波長的泵浦激光器，激發(fā)銫原子玻璃氣室中的原子，將之從6S基態(tài)泵浦到7P態(tài)，并讓銫原子自發(fā)輻射回落到態(tài)； 3)調(diào)節(jié)優(yōu)化好所述一臺728nm波長的半導(dǎo)體激光器，利用雙色鏡讓728nm激光光束與通過銫原子氣室的455nm激光光束方向相反，又在空間上重疊；利用溫度控制電路系統(tǒng)對所述堿金屬銫原子的玻璃氣室進行溫度控制，讓態(tài)的原子在728nm半導(dǎo)體激光的作用之下激發(fā)到6F態(tài)得到728nm激光光譜線，達到728nm激光光譜信號效果在最優(yōu)的條件； 4)調(diào)節(jié)優(yōu)化728nm激光光譜信號后，利用穩(wěn)頻電路，將728nm半導(dǎo)體激光的頻率穩(wěn)頻在銫原子的728nm激光光譜信號上，從而實現(xiàn)一種728nm穩(wěn)頻激光標準。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的混合氣體多波段原子濾光器方法，其特征在于:步驟1)中銫原子玻璃氣室5內(nèi)充入100微克以上的堿金屬銫原子氣體。
【文檔編號】H03L7/26GK104393483SQ201410680003
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】畢崗 申請人:浙江大學(xué)城市學(xué)院