基于雙光子超精細(xì)能級光譜的激光頻率鎖定裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光頻率的穩(wěn)定技術(shù)，具體是一種基于雙光子超精細(xì)能級光譜的激光頻率鎖定裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會中，信息的作用在軍事與人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中越來越重要，掌握信息越迅速、越準(zhǔn)確、越豐富，也就掌握了主動權(quán)從而在軍事與生產(chǎn)生活中取得領(lǐng)先。激光在空間控制性與時間控制性上具有顯著的優(yōu)勢，使其對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工，激光加工系統(tǒng)與計算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，激光的出現(xiàn)引發(fā)了一場信息革命，從VCD、DVD光盤到激光照排，激光的使用大大提高了效率，方便了人們保存和提取信息。激光作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要標(biāo)志，已經(jīng)在文化娛樂、工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，頻率的穩(wěn)定是激光的重要特性之一，激光頻率穩(wěn)定在信息的存儲與精密加工中有重要的意義，這就使得激光的穩(wěn)頻技術(shù)得到更加的重視。
[0003]激光頻率的穩(wěn)定對研究高分辨率分子和原子光譜、激光干涉測量、冷卻和俘獲原子、光纖通信、頻率選擇光學(xué)資料存儲具有重要意義。激光穩(wěn)頻的初期，由于只是關(guān)注參數(shù)穩(wěn)定、工作狀態(tài)和周圍環(huán)境的調(diào)控，穩(wěn)定度只能達(dá)到10—8數(shù)量級，收效甚微。六十年代中期日本的霜田光一等人提出用甲烷吸收線來穩(wěn)定激光頻率后，激光頻率穩(wěn)定度激增，很快達(dá)到10—11數(shù)量級。利用原子、分子的躍迀譜線來鎖定激光的頻率使得激光頻率穩(wěn)定進(jìn)入了一個新階段。因此，國內(nèi)外通常采用將激光頻率鎖定在原子、分子的躍迀譜線上的穩(wěn)頻方法來獲得頻率穩(wěn)定的激光，這種方法通過解調(diào)原子飽和吸收光譜得到鑒頻線來鎖定激光頻率，得到了很好的穩(wěn)頻效果。此時，光譜線的增寬效應(yīng)掩蓋了光譜結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，成為限制激光頻率穩(wěn)定性提高的主要因素。光譜增寬的來源有三個因素:譜線的自然寬度、壓致(碰撞)增寬、多普勒增寬。當(dāng)壓力小于1333Pa( 1mmHg)時，壓制增寬并不嚴(yán)重，與自然寬度有相同量級。其中多普勒增寬通常比自然寬度大兩個數(shù)量級，是實(shí)際譜線寬度的主要成分。因此，無多普勒展寬技術(shù)對于激光頻率穩(wěn)定具有重要的意義。
[0004]國內(nèi)外通常采用兩種方法獲得無多普勒光譜:一、冷卻原子與分子技術(shù)。二、采用原子雙光子躍迀技術(shù)。相比于冷卻原子與分子裝置龐大、復(fù)雜且昂貴的特點(diǎn)，原子的雙光子躍迀技術(shù)因其簡便性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性成為利用無多普勒光譜穩(wěn)定激光頻率的首選。正因?yàn)殡p光子躍迀技術(shù)穩(wěn)定激光頻率方面的優(yōu)越性，雙光子躍迀被用于新一代的頻率基準(zhǔn)一一光鐘，雙光子光鐘在顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度的同時，頻標(biāo)穩(wěn)定性和魯棒性也大大提高。利用原子雙光子躍迀技術(shù)獲得的無多普勒光譜的譜線寬度由激光器輸出激光的線寬決定。傳統(tǒng)獲得的原子雙光子譜線需要使用一臺或者兩臺半導(dǎo)體激光器的連續(xù)激光。因此，半導(dǎo)體激光器輸出連續(xù)激光的線寬決定了無多普勒光譜的線寬。然而，半導(dǎo)體激光器的激光線寬在兆赫茲(16Hz)量級，使得無法進(jìn)一步壓窄雙光子光譜的線寬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有利用原子與分子光譜激光的穩(wěn)定技術(shù)易受原子運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)以及作用激光固有線寬影響雙光子光譜譜線寬度，以至于降低激光的頻率穩(wěn)定效果等技術(shù)問題，利用飛秒脈沖栗浦與連續(xù)激光相結(jié)合獲得窄線寬雙光子躍迀光譜譜線，提供了一種基于雙光子超精細(xì)能級光譜的激光頻率鎖定裝置及方法。
[0006]本發(fā)明所述的基于雙光子躍迀超窄譜線效應(yīng)的激光頻率鎖定裝置是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種基于雙光子超精細(xì)能級光譜的激光頻率鎖定裝置，包括半導(dǎo)體激光器、順次位于半導(dǎo)體激光器激光出射光路上的激光隔離器、第一半玻片及第一偏振分束棱鏡；沿著第一偏振分束棱鏡激光的透射光路順次有第一凸透鏡、第二凸透鏡第二半波片和第二偏振分束棱鏡;第二偏振分束棱鏡的透射光路上依次有第一平凸鏡、凹透鏡及聲光調(diào)制器；所述凹透鏡的凹面朝向聲光調(diào)制器;聲光調(diào)制器信號輸入端連接有信號發(fā)生器，聲光調(diào)制器的出射光路上依次設(shè)有四分之一玻片、第二平凸鏡、遮光片;第二平凸鏡的透射光路上還設(shè)有能夠?qū)⒙暪庹{(diào)制器出射的正/負(fù)一級衍射光反射回聲光調(diào)制器的第一全反射鏡;第二偏振分束棱鏡的反射光路上依次設(shè)有第二全反射鏡、第四全反射鏡及第三全反射鏡，還包括一個出射光路與第三全反射鏡的反射光路反向共線的飛秒激光器;第三全反射鏡與飛秒激光器之間設(shè)有內(nèi)設(shè)堿金屬原子蒸汽室的金屬磁屏蔽罩;金屬磁屏蔽罩的一側(cè)開有激光第一入射口，另一側(cè)開有激光第二入射口；第三全反射鏡的反射光與飛秒激光器的出射光分別經(jīng)激光第一、第二入射口進(jìn)入金屬磁屏蔽罩并反向共線作用于堿金屬原子蒸汽室;金屬磁屏蔽罩上還開有熒光收集口，熒光收集口外依次設(shè)有第四凸透鏡、窄帶濾光片及光電倍增管，光電倍增管信號輸出端連接有放大器，放大器信號輸出端連接有鎖相放大器，鎖相放大器的一個信號輸出端連接有示波器，另一個信號輸出端與半導(dǎo)體激光器的電流控制端口相連接。
[0007]所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光頻率對應(yīng)堿金屬原子的基態(tài)至某一激發(fā)態(tài)的躍迀；飛秒激光器發(fā)射的飛秒激光頻率對應(yīng)堿金屬原子的某一激發(fā)態(tài)到另一個激發(fā)態(tài)的躍迀。這樣就可以經(jīng)由第四凸透鏡、窄帶濾光片及光電倍增管獲得雙光子光譜，并將雙光子光譜用于半導(dǎo)體激光器的頻率鎖定。
[0008]通過掃描連續(xù)激光頻率與保持飛秒激光的頻率不變可以有效的激發(fā)堿金屬原子雙光子躍迀，通過金屬磁屏蔽殼有效地隔絕磁場，采用透鏡收集堿金屬原子自發(fā)輻射的熒光，熒光中的雜散光由濾光片濾出后由光電倍增管探測，即獲得堿金屬原子雙光子躍迀的窄帶光譜。窄帶光譜經(jīng)放大器放大后通入鎖相放大器獲得誤差信號即可穩(wěn)定半導(dǎo)體激光的頻率。本申請可以穩(wěn)定從300nm到1550nm不同頻率的激光，獲得激光頻率穩(wěn)定的高質(zhì)量輸出光束。
[0009]飛秒激光的頻率不變作為栗浦光激發(fā)堿金屬原子雙光子躍迀的第二步躍迀，飛秒激光頻率不變消除了頻率變化對雙光子譜線的影響，相比于傳統(tǒng)的雙光子躍迀第一與第二步激光頻率都需掃描降低了頻率擾動帶來的譜線展寬，對打的連續(xù)激光與飛秒激光通過雙光子效應(yīng)消除多普勒背景獲得了無多普勒背景的雙光子光譜。利用聲光調(diào)制器在外部掃描連續(xù)激光的頻率是為了在不改變激光器頻率的基礎(chǔ)上外部掃描激光的頻率，雙次通過聲光調(diào)制器是為了消除之后掃描激光頻率時帶來激光方向的變化。
[0010]第一平凸鏡與凹透鏡、聲光調(diào)制器、四分之一玻片、第二平凸鏡、遮光片與第一全反射鏡組成的結(jié)構(gòu)可使激光雙次通過聲光調(diào)制器，該結(jié)構(gòu)用于在外部改變激光的頻率，通過這個結(jié)構(gòu)激光器可以在保持輸出激光頻率不變的基礎(chǔ)上利用此結(jié)構(gòu)外部掃描激光的頻率，此外激光雙次通過聲光調(diào)制器可以在掃描激光頻率的同時保證裝置中光路不發(fā)生改變;第二、第三與第四全反射鏡的光束準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)用于提高激光激發(fā)雙光子躍迀的幾率，第四凸透鏡用于收集熒光于光電倍增管，放大器用于放大所獲得的熒光信號，鎖相放大器用來將放大后的信號調(diào)制解調(diào)產(chǎn)生誤差信號，獲得的誤差信號輸入到半導(dǎo)體激光器進(jìn)行鎖頻，示波器用來監(jiān)視雙光子光譜與誤差信號。
[0011]進(jìn)一步的，第三全反射鏡與金屬磁屏蔽罩的激光第一入射口之間設(shè)有第五凸透鏡;飛秒激光器與金屬磁屏蔽罩的激光第二入射口之間設(shè)有第三凸透鏡;所述堿金屬原子蒸汽室上與連續(xù)激光和飛秒激光兩道入射光對應(yīng)的兩個入射窗口均為布儒