一種小型無本底飽和吸收光譜裝置及其系統和控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光電子技術領域，具體涉及一種用于激光穩頻的小型無本底飽和吸收 光譜裝置及其系統和控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著半導體激光器技術的發展，半導體激光器已經廣泛應用于精密測量、激光冷 卻、光纖通信、激光光譜、量子頻標、俘獲、激光探測等前沿科研領域。激光器的穩頻技術是 半導體激光器的核心技術。
[0003] 常用的半導體激光器穩頻方案是利用原子或分子的飽和吸收光譜，將激光器的頻 率鎖定在原子的超精細能級的躍迀譜線或分子的振轉能級譜線上。由于原子和分子的共振 頻率穩定性優于激光器自由運轉的頻率穩定性，這種方法可以提高激光器的頻率穩定性。 如圖1所示，當一束頻率掃描的激光作為探測光B經過原子氣室，由于原子氣體有速度分布， 不同速度的原子感受到得激光頻率不同，原子對激光的吸收光譜存在多普勒展寬；當同頻、 強度較高的栗浦光A與探測光B在空間中合束，且方向相反時，光譜信號上出現了多個透射 峰。原因是:對于探測光方向上速度為零的原子，當栗浦光和探測光與原子的同一個超精細 能級躍迀共振時，強的栗浦光使原子在基態的布居減少，原子的探測光的吸收減弱，產生了 無多普勒本底的透射峰;對于探測光方向上速度為其中c為光速，Vl、Vj分別為 ZVq 第i、j個超精細能級躍迀共振頻率，VQ是激光中心頻率，i和j為自然數)的原子，當栗浦光和 探測光的頻率為^和^的時候，栗浦光與第i個超精細能級躍迀共振，探測光與第j個超精細 能級躍迀共振，也會產生無多普勒本底的透射峰，此時的光譜信號中含有多普勒吸收本底 和無多普勒效應的透射峰；當用另一束探測光C通過原子氣室，此時探測光C的光譜信號為 多普勒吸收本底信號，兩束探測光的信號相減得到無本底的無本底飽和吸收光譜。
[0004] 在空間冷原子實驗、量子頻標以及精密測量等領域，對穩頻激光器的體積以及抗 振能力有很高的要求，通常需要盡可能的簡化機械結構，以滿足整體穩定性的要求。圖2描 述了目前通用的飽和吸收光譜裝置。
[0005] 現有的無本底飽和吸收光譜裝置如圖2所示，光纖耦合頭01注入種子源到平板狀 的厚玻璃片02,經過厚玻璃片在前后表面分別發生反射，產生兩束反射光B和C以及一束透 射光A(反射光和透射光的強度比A:B:C = 23:1:1)，其中兩束反射光B和反射光C經過氣室03 和五五分光頻片04入射到差分光電探測器05中；而透射光A經過兩次45度反射鏡06和07、以 及五五分光頻片04反射以后在空間中與反射光B重合，反射光B產生了飽和吸收光譜信號， 反射光C產生了吸收光譜信號，兩個信號差分后得到了無多普勒本底的飽和吸收光譜信號。
[0006] 但是，現有的這種裝置是通過兩個反射鏡進行調節，具有四個自由度，很難調節； 并且，反射光B和反射光C之間的距離是由厚玻璃片的厚度決定，要增加發射光B與反射光C 之間的距離，必須增加后玻璃片的厚度;同時，現有的這種裝置整體體積很大。
【發明內容】
[0007] 針對穩頻激光器的高穩定性和小型化的技術需求，本發明提出了一種小型無本底 飽和吸收光譜裝置及其系統和控制方法，實現了無多普勒本底的飽和吸收光譜，并且使裝 置的體積減小到現有裝置的50%。由于本發明需要調節的機械結構更少，所以其穩定性和 可靠性大大增加。
[0008] 本發明的一個目的在于提出一種小型無本底飽和吸收光譜裝置。
[0009] 本發明的小型無本底飽和吸收光譜裝置包括:種子光源、分光儀、原子氣室、第一 三棱鏡、第一和第二光電探測器;其中，第一三棱鏡的最大頂角為第一頂角，與第一頂角相 對的側面為入射面，第一頂角兩邊的側面分別為第一反射面和第二反射面，入射面為低反 射高透射面，第一反射面為高反射低透射面，第二反射面為低反射高透射面;種子光源發出 的種子光經分光儀后，一部分作為主光透射出，另一部分光作為栗浦光進入原子氣室，激發 原子吸收形成具有多普勒展寬的吸收光譜;栗浦光從原子氣室出射后，入射至第一三棱鏡 的入射面;通過調節第一三棱鏡的俯仰角和夾角，使得栗浦光與入射面垂直;經低反射高透 射的入射面后，小部分光經入射面反射作為第一探測光，返回原子氣室，與栗浦光反向同 線，產生具有多個透射峰的吸收光譜;大部分光經入射面透射進入第一三棱鏡，經高反射低 透射的第一反射面反射后，又經第二反射面反射后，從入射面透射出第一三棱鏡，作為第二 探測光進入原子氣室，產生多普勒展寬光譜;經原子氣室后的第一探測光和第二探測光分 別由第一光電探測器和第二光電探測器接收，其中第一探測光產生的為含有多普勒展寬的 飽和吸收光譜信號，第二探測光產生了含有多普勒展寬光譜信號，經減法器后，形成無本底 飽和吸收光譜。
[0010] 第一三棱鏡為透明的材料，第一反射面的表面鍍有高反膜，形成高反射低透射面； 第二反射面和入射面不做處理，形成低反射高透射面。
[0011] 栗浦光經入射面反射后，作為第一探測光，第一探測光與栗浦光天然重合于一點， 因此只需要調節第一三棱鏡的俯仰角和夾角，就可以調節栗浦光與第一探測光重合，因此 只有兩個維度的自由度，極大地降低了調節難度。
[0012] 栗浦光經入射面反射形成第一探測光，透射后分別經第一反射面和第二反射面反 射后形成第二探測光，通過調節栗浦光與第一三棱鏡的第一頂角的高所在的直線之間的距 離，能夠精確且方便地調節第一探測光與第二探測光之間的距離。
[0013] 第一頂角在80~100。之間。
[0014] 分光儀可采用分光片，從種子光源發出的種子光經分光片后，一部分透射作為主 光輸出，另一部分進入原子氣室作為栗浦光。分光儀還可以米用第二三棱鏡，第二三棱鏡最 大的頂角為第二三棱鏡的第一頂角，第一頂角相對的側面為第二三棱鏡的入射面，第二三 棱鏡的第一頂角的兩側的面分別為第二三棱鏡的第一反射面和第二反射面，第二三棱鏡的 第一反射面鍍有高反膜，第二三棱鏡的第二反射面鍍有分光膜，第二三棱鏡的入射面不鍍 膜;種子源經光纖耦合頭注入至分光棱鏡的入射面，經第一反射面反射后，一部分光經第二 反射面透射出作為主光輸出，一部分經第二反射面反射，進入原子氣室作為栗浦光。
[0015] 本發明的另一個目的在于提供一種小型無本底飽和吸收光譜裝置的控制方法。
[0016] 本發明的小型無本底飽和吸收光譜裝置的控制方法，包括以下步驟：
[0017] 1)種子光源發出的種子光經分光儀后，一部分作為主光透射出，另一部分光作為 栗浦光進入原子氣室；
[0018] 2)栗浦光激發原子吸收形成具有多普勒展寬的吸收光譜；
[0019] 3)栗浦光從原子氣室出射后，入射至第一三棱鏡的入射面；
[0020] 4)通過調節第一三棱鏡的俯仰角和夾角，使得栗浦光與入射面垂直；
[0021] 5)經低反射高透射的入射面后，小部分光經入射面反射作為第一探測光，返回原 子氣室，與栗浦光反向同線，產生具有多個透射峰的吸收光譜；
[0022] 6)經低反射高透射的入射面后，大部分光經入射面透射進入第一三棱鏡，經高反 射低透射的第一反射面反射后，又經第二反射面反射后，從入射面透射出第一三棱鏡，作為 第二探測光進入原子氣室，產生多普勒展寬光譜；
[0023] 7)經原子氣室后的第一探測光和第二探測光分別由第一光電探測器和第二光電 探測器接收，其中第一探測光產生的為含有多普勒展寬的飽和吸收光譜信號，第二探測光 含有多普勒展寬光譜信號，經減法器后，形成無本底飽和吸收光譜。
[0024]本發明的優點：
[0025]本發明采用三棱鏡，栗浦光通過原子氣室激發多普勒吸收光譜，出射后入射至三 棱鏡的入射面反射形成第一探測光，與栗浦光反向且共線，并經第一反射面和第二反射面 反射后，形成第二探測光進入原子氣室，從原子氣室出射后的第一探測光和第二探測光相 減后形成無本底飽和吸收光譜;本發明解決了原有機械結構復雜而且龐大的問題，簡化光 路結構，可以將整個無本底飽和吸收光譜裝置集成在30mm*50mm*20mm的盒子內；同時，由于 機械結構簡單，光路便于調諧，使其機械穩定性大幅提高，從而應用更為廣泛。
【附圖說明】
[0026]圖1為消除本底的飽和吸收光譜的原理示意圖；
[0027] 圖2為現有技術中的無本底飽和吸收光譜裝置的示