CN104701727A - 一种激光稳频方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光稳频装置，包括在一激光光路上依次布置的：用以将由一激光发生装置发出的一束激光转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光的一光泵浦***；用以将由平行于入射光方向的外磁场和垂直于入射光的交变磁场共同作用两个原子气室的两套原子磁共振***；用以将光信号转化为电信号并提取其中特定频率分量的一信号采集处理***。本发明还提供与上述装置对应的方法。本发明利用光频移效应会对磁光双共振信号产生的影响，通过探测这种影响作为误差信号，利用该误差信号使激光频率趋于稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光稳频技术领域，特别涉及一种利用原子磁光双共振及光频移效应稳定激光频率的方法及装置。
背景技术
自20世纪60年代激光技术发展以来，由于其具有良好的单色性和方向性，激光在光与物质相互作用领域的应用前景非常广泛。基于量子力学理论，原子的束缚态能量是分立的，称为原子的能级结构。光与原子相互作用时，依据选择定则，当光的频率等于原子两个能级间隔时，原子会发生跃迁，这是利用量子效应进行的原子操作技术。为了能保持光与原子发生上述作用，需要光的频率稳定等于原子能级间隔。但是对于大多数激光器，由于机械振动、温度波动、电路抖动等因素，使激光的中心频率会发生漂移，这样一来激光就无法使原子持续跃迁，因此就需要一个频率稳定机制使激光频率稳定在原子能级间隔上。激光频率稳定技术应用广泛，在涉及激光与原子相互作用的基础研究以及原子钟、原子磁力仪等应用研究中，都有重要的应用。
发明内容
为了解决上述激光频率稳定的问题，本发明提供一种激光稳频方法及装置，利用光频移效应会对磁光双共振信号产生的影响，通过探测这种影响作为误差信号，利用该误差信号使激光频率趋于稳定。
本发明的目的之一在于，提供一种激光稳频装置，包括在一激光光路上依次布置的：
用以将由一激光发生装置发出的一束激光转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光的一光泵浦***；
用以将由平行于入射光方向的外磁场和垂直于入射光的交变磁场共同作用两个原子气室的两套原子磁共振***；
用以将光信号转化为电信号并提取其中特定频率分量的一信号采集处理***。
进一步地，所述光泵浦***包括在激光光路上依次布置的一偏振片、一二分之一波片、一偏振分光棱镜、一对第一四分之一波片及一平面反射镜。
进一步地，所述原子磁共振***包括一磁屏蔽桶以及置于所述磁屏蔽桶内的一原子气室、一对亥姆霍兹线圈、一对外磁场线圈。
进一步地，所述外磁场线圈用以产生与入射光平行的一外磁场，所述亥姆霍兹线圈用以产生一与所述外磁场垂直的一交变磁场。
进一步地，所述信号采集处理***包括：一对光电探测器、一锁相放大器、一比例积分微分电路，所述比例积分微分电路用以反馈控制所述激光发生装置发出的激光的频率。
本发明的另一目的在于提供一种一种激光稳频方法，包括以下步骤：
1)从一激光发生装置发出的激光经过一光泵浦***转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光；
2)所述左旋圆偏振光及右旋圆偏振光入射两套原子磁共振***，所述原子磁共振***具有与入射光平行的一外磁场及与所述外磁场垂直的一交变磁场；
3)所述左旋圆偏振光及右旋圆偏振光经过两套原子磁共振***后分别由两光电探测器探测，并锁定所述交变磁场的共振频率；
4)根据所述共振频率进行计算得到一误差信号；
5)根据所述误差信号对所述激光发生装置进行反馈控制，从而稳定所述激光发生装置发出的激光的频率。
进一步地，步骤1)中所述激光经过一光泵浦***转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光包括：所述激光经过一偏振片转换为一线偏振光，再通过一二分之一波片调整所述线偏振光的偏振方向，再经过一偏振分光棱镜将所述线偏振光分成两路互相垂直的线偏振光，再利用反射镜将所述两路互相垂直的线偏振光为两路互相平行的线偏振光，再通过一对四分之一波片分别将所述两路互相平行的线偏振光调节为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光。
进一步地，步骤2)中所述外磁场通过一对外磁场线圈产生，所述交变磁场通过一对亥姆霍兹线圈产生。
进一步地，步骤4)中根据所述共振频率进行计算得到误差信号包括；根据所述共振频率计算出两套原子磁共振***的两个外磁场值，再两个外磁场值差分后作为误差信号。
进一步地，步骤5)中根据所述误差信号对所述激光发生装置进行反馈控制包括：将所述误差信号进行比例积分微分运算处理后，输送至激光发生装置，反馈控制激光器发生装置的频率。
本发明的工作原理：
本发明的方法及装置利用了AC stark效应(又称光频移效应)对磁光双共振效应的影响，当激光频率发生变化时，稳频***产生的误差信号反馈激光器，依此稳定激光频率。下面分别介绍两种效应。
磁光双共振效应是一种高精度量子测量方法的基本原理，它包括光泵浦过程(即光共振过程)和磁共振过程两部分。原子能级会在外磁场作用发生Zeeman***，***间隔正比于外磁场大小，***能级称为Zeeman能级。用偏振光作用某一Zeeman能级时，该Zeeman能级上的原子会被抽空，原子处于其他Zeeman能级上，整个原子***发生极化，这个过程称为光泵浦过程。用垂直于外磁场方向的交变磁场作用原子的Zeeman能级，当交变磁场频率等于原子Zeeman能级间隔时，原子会在Zeeman能级间发生跃迁，整个原子***发生退极化，这个过程称为磁共振过程。当两个过程同时发生时，原子对于光的吸收最大。可以利用锁相放大器将交变磁场频率锁定在原子Zeeman能级间隔上，进而计算出外磁场的大小。整个过程即磁光双共振效应，它也是光泵磁力仪的基本原理。
光频移效应是光和原子相互作用过程中，由于光的频率不等于原子能级间隔时(光的频率与原子能级存在失谐)，光使原子能级发生移动的效应，原子能级移动的大小和光的频率大小有关。
同时考虑上述两种效应，就可以利用光频移效应对磁光双共振效应的影响来稳定激光器频率。
在磁光双共振效应中，光泵浦过程中的偏振光若与Zeeman能级存在失谐，Zeeman能级发生移动，磁共振过程中的交变磁场频率也发生改变，即计算出的外磁场大小也发生改变。综上所述，激光频率的改变导致最终计算出的外磁场大小的改变。即如果保持外磁场不变，则计算出的外磁场变化反映激光频率的变化，可以利用这个信号反馈控制激光器，使激光频率稳定。
但在许多应用场合，外磁场会受环境干扰发生波动，这时上文提及的反馈信号会包含外磁场自身的波动信息，不是单纯的激光频率波动信息。为了解决这个问题，可以选用Zeeman***为三个Zeeman能级的原子，例如氦-4原子。使用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光泵浦氦-4原子的亚稳态时(氦-4原子亚稳态在外磁场作用下***为三个Zeeman能级)，因为光场的偏振不同，所以光场作用的Zeeman能级不同，由光频移引起的Zeeman能级移动不同。但是由外磁场变化造成的Zeeman能级***变化是相同的。即可以利用两套磁光双共振***，分别使用左旋圆偏振光和右旋圆偏振光泵浦，将最终计算出的外磁场大小差分处理，则外磁场的波动可以去除，只剩下激光频率波动带来的影响。
接合上述工作原理的说明可知，通过采取如上的技术方案，本发明具有以下有益效果：
1、对于大多数激光应用领域，需要激光具有稳定的频率。由于一般激光器自身存在频率波动，可以利用本发明奖激光频率稳定。这个稳频***对于原子钟和原子滤光器领域的实验与应用研究提供了一种新的方案。
2、对于光泵原子磁力仪领域，利用本发明的方法及装置可以在进行外磁场测量的同时实现激光频率的稳定，省去独立激光频率稳定***，有利于***小型化，并降低研发成本。
附图说明
图1为本发明的激光稳频装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中稳频前激光误差信号的波动情况示意图。
图3为本发明实施例中稳频后激光误差信号的波动情况示意图。
附图标记说明：1-激光器；2-偏振片；3-二分之一波片；4-偏振分光棱镜；5-平面反射镜；6-第一四分之一波片；7-第二四分之一波片；8-第一外磁场线圈；9-第二外磁场线圈；10-第一亥姆霍兹线圈；11-第二亥姆霍兹线圈；12-第一原子气室；13-第二原子气室；14-第一磁屏蔽桶；15-第二磁屏蔽桶；16-第一光电探测器；17-第二光电探测器；18-锁相放大器；19-比例积分微分电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，有必要在此指出，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
如图1所示，本发明对于作为激光发生装置的激光器1进行稳频的激光稳频装置包括用以将由一激光发生装置发出的一束激光转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光的一光泵浦***；用以将由平行于入射光方向的外磁场和垂直于入射光的交变磁场共同作用两个原子气室的两套原子磁共振***；用以将光信号转化为电信号并提取其中特定频率分量的一信号采集处理***。其中光泵浦***包括偏振片2、二分之一波片3、偏振分光冷静4、平面反射镜5、第一四分之一波片6、第二四分之一波片7；原子磁共振***包括：第一外磁场线圈8、第二外磁场线圈9、第一亥姆霍兹线圈10、第二亥姆霍兹线圈11、第一原子气室12、第二原子气室13；第一磁屏蔽桶14、第二磁屏蔽桶15；信号采集处理***包括：第一光电探测器16、第二光电探测器17、锁相放大器18、比例积分微分电路19。
从激光器1出射的激光经过偏振片2变成线偏振光，利用二分之一波片3调整线偏振光的偏振方向，再经过偏振分光棱镜4将线偏振光分成两路互相垂直的线偏振光，利用反射镜5将两束光调节为平行光，使用第一四分之一波片6和第一四分之一波片7分别将两束线偏振光调节为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
接着将左旋圆偏振光和右旋圆偏振光分别入射两套原子磁共振***。原子磁共振***由第一磁屏蔽桶14和第二磁屏蔽桶15屏蔽掉环境电磁场的干扰，在磁屏蔽桶内部使用第一外磁场线圈8和第二外磁场线圈9产生平行于入射激光的外磁场。在第一原子气室12和第二原子气室13上分别用第一亥姆霍兹线圈10和第二亥姆霍兹线圈11生成垂直于外磁场的交变磁场，交变磁场频率受到信号采集处理***控制。
经过原子气室的两束光分别由第一光电探测器16和第二光电探测器17探测，分别用锁相放大器18分别锁定交变磁场的磁共振频率，可以直接计算出外磁场的大小。将两套原子磁共振***计算出的外磁场值差分后，作为误差信号，经过比例积分微分电路19运算处理，反馈控制激光器频率，即可实现对激光器频率的稳定。下面以对1083nm激光器稳频为具体实例，说明本发明的工作过程与原理，请一并参考图1：
1、选用的具体器件如下
待稳定的中心波长为1083n的激光器1，偏振片2为中心波长1083nm的偏振片，二分之一波片3为中心波长1083nm的二分之一波片，偏振分光棱镜4为中心波长1083nm的偏振分光棱镜，平面反射镜5为能够对1083nm光大于95％反射率的银反射镜，第一四分之一波片6和第二四分之一波片7为中心波长1083nm的四分之一波片，第一外磁场线圈8和第二外磁场线圈9为两个底面直径25cm高100cm的圆柱形铜线圈，第一亥姆霍兹线圈10和第二亥姆霍兹线圈11为两对直径6cm的亥姆霍兹铜线圈，第一原子气室12和第二原子气室13为底面直径3cm高4cm的圆柱体玻璃泡，内部充氦-4(He-4)原子气体，气压约0.3Torr，第一磁屏蔽桶14和第二磁屏蔽桶15为底面直径28cm高130cm的圆柱形磁屏蔽桶，第一光电探测器16和第二光电探测器17为能响应1083nm激光的InGaAs光电探测器，锁相放大器18为能锁定氦-4原子磁共振频率的锁相放大器，比例积分微分电路19为能够调节锁相放大器18并反馈激光器1的比例积分微分电路模块。
2、工作过程和原理
如图1所示，从1083nm激光器1出射的光经过偏振片2变成线偏振光，利用二分之一波片3调整线偏振光的偏振方向，目的是调整后面左、右旋光的光强比例。再经过偏振分光棱镜4将线偏振光分成两路互相垂直的线偏振光，利用反射镜5将两束光调节为平行光，使用第一四分之一波片6和第一四分之一波片7分别将两束线偏振光调节为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。
接着将两束光入射两套原子磁共振***。原子磁共振***由第一磁屏蔽桶14和第二磁屏蔽桶15屏蔽掉环境电磁场的干扰，磁屏蔽桶的入射光方向要保证和环境磁场方向垂直，以达到最佳屏蔽效果。在磁屏蔽桶内部使用第一外磁场线圈8和第二外磁场线圈9产生平行于入射激光的外磁场。在第一原子气室12和第二原子气室13上分别用第一亥姆霍兹线圈10和第二亥姆霍兹线圈11生成垂直于外磁场的交变磁场，交变磁场的幅度远小于由外磁场线圈生成的磁场大小，交变磁场频率受到信号采集处理***控制。
经过氦-4原子气室的两束光分别由第一光电探测器16和第二光电探测器17探测，分别用锁相放大器18分别锁定交变磁场的磁共振频率，可以直接计算出外磁场的大小。将两套原子磁共振***计算出的外磁场值差分后，作为误差信号，经过比例积分微分电路19运算处理，其中比例积分微分的参数根据待稳激光器的实际频率波动情况实验调节。将该信号反馈控制激光器频率，即可以实现对于激光频率的稳定。
实验结果如下：
图2和图3为稳频***计算出的外磁场差值大小(即误差信号)在激光稳频前后随时间变化的结果。图中横轴为测量时间，共采集5000秒的数据，纵轴为稳频***计算出的外磁场差值，它反映了激光频率的波动情况。在稳频前，误差信号有0.005nT到0.075nT之间变化，即由激光频率变化引起的波动为0.07nT。而在稳频后误差信号有-0.13nT到-0.172nT变化，即由激光频率引起的波动为0.042nT。可见经过该稳频***，将激光频率波动压制到原先波动的50％。
Claims (10)
1.一种激光稳频装置，其特征在于，包括在一激光光路上依次布置的：
用以将由一激光发生装置发出的一束激光转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光的一光泵浦***；
用以将由平行于入射光方向的外磁场和垂直于入射光的交变磁场共同作用两个原子气室的两套原子磁共振***；
用以将光信号转化为电信号并提取其中特定频率分量的一信号采集处理***。
2.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述光泵浦***包括在激光光路上依次布置的一偏振片、一二分之一波片、一偏振分光棱镜、一对第一四分之一波片及一平面反射镜。
3.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述原子磁共振***包括一磁屏蔽桶以及置于所述磁屏蔽桶内的一原子气室、一对亥姆霍兹线圈、一对外磁场线圈。
4.如权利要求3所述的激光稳频装置，其特征在于，所述外磁场线圈用以产生与入射光平行的一外磁场，所述亥姆霍兹线圈用以产生一与所述外磁场垂直的一交变磁场。
5.如权利要求1所述的激光稳频装置，其特征在于，所述信号采集处理***包括：一对光电探测器、一锁相放大器、一比例积分微分电路，所述比例积分微分电路用以反馈控制所述激光发生装置发出的激光的频率。
6.一种激光稳频方法，包括以下步骤：
1)从一激光发生装置发出的激光经过一光泵浦***转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光；
2)所述左旋圆偏振光及右旋圆偏振光入射两套原子磁共振***，所述原子磁共振***具有与入射光平行的一外磁场及与所述外磁场垂直的一交变磁场；
3)所述左旋圆偏振光及右旋圆偏振光经过两套原子磁共振***后分别由两光电探测器探测，并锁定所述交变磁场的共振频率；
4)根据所述共振频率进行计算得到一误差信号；
5)根据所述误差信号对所述激光发生装置进行反馈控制，从而稳定所述激光发生装置发出的激光的频率。
7.如权利要求6所述的激光稳频方法，其特征在于，步骤1)中所述激光经过一光泵浦***转换为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光包括：所述激光经过一偏振片转换为一线偏振光，再通过一二分之一波片调整所述线偏振光的偏振方向，再经过一偏振分光棱镜将所述线偏振光分成两路互相垂直的线偏振光，再利用反射镜将所述两路互相垂直的线偏振光为两路互相平行的线偏振光，再通过一对四分之一波片分别将所述两路互相平行的线偏振光调节为一左旋圆偏振光及一右旋圆偏振光。
8.如权利要求6所述的激光稳频方法，其特征在于，步骤2)中所述外磁场通过一对外磁场线圈产生，所述交变磁场通过一对亥姆霍兹线圈产生。
9.如权利要求6所述的激光稳频方法，其特征在于，步骤4)中根据所述共振频率进行计算得到误差信号包括；根据所述共振频率计算出两套原子磁共振***的两个外磁场值，再两个外磁场值差分后作为误差信号。
10.如权利要求6所述的激光稳频方法，其特征在于，步骤5)中根据所述误差信号对所述激光发生装置进行反馈控制包括：将所述误差信号进行比例积分微分运算处理后，输送至激光发生装置，反馈控制激光器发生装置的频率。
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