阅读说明：本技术 高稳定性调制转移光谱稳频光路装置 (High-stability modulation transfer spectrum frequency stabilization light path device ) 是由 贾森 王先华 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：为了解决现有的调制转移吸收稳频光路装置调节困难、稳定性差的技术问题,本发明提出了一种高稳定性调制转移光谱稳频光路装置,使用梯形棱镜和偏振分束器,对信号光与调制光进行反射,相比于反射镜结构,光学系统的光机元件减少,结构得到了简化,在光路调节时,只需要调整梯形棱镜或者带有倾斜反射面的第二偏振分束器即可,调节难度大大降低,对光路准直要求低,梯形棱镜固定后,光路不易受外界震动、温度等环境影响,提高了光路的稳定性。(In order to solve the technical problems of difficult adjustment and poor stability of the conventional modulation transfer absorption frequency stabilization light path device, the invention provides a high-stability modulation transfer spectrum frequency stabilization light path device, which uses a trapezoidal prism and a polarization beam splitter to reflect signal light and modulated light.)

高稳定性调制转移光谱稳频光路装置

技术领域

本发明涉及一种用于激光器稳频的高稳定性调制转移光谱稳频光路装置。

背景技术

半导体激光器广泛应用于精密光谱、量子光学、原子冷却、原子干涉等领域。在原子冷却与原子干涉等领域中，首先要对半导体激光器进行稳频，对于碱金属原子，通常采用饱和吸收光谱的方法获得亚多普勒超精细跃迁谱线，并以某个超精细跃迁线作为参考频率，经合适的电子学负反馈环路实现激光器频率锁定。这种方法一般需要对激光器直接进行调制，这导致附加的频率噪声和相应的强度噪声，且剩余的多普勒背景会造成鉴频曲线中心值的偏移，即锁定点相对于参考频率偏移。另一种常用的偏振光谱锁频法不需要对激光器进行调制，但是对原子气室温度起伏和磁场环境都很敏感。调制转移光谱(MTS)技术采用电光相位调制器(EOM)或声光调制器对激光进行外调制，消除了对激光器的直接频率调制所导致附加频率和强度噪声，且信噪比高，谱线完全无背景，对温度、磁场以及光强起伏都不敏感。

通常的调制转移光谱稳频系统中的调制转移吸收稳频光路装置主要包括二分之一波片、偏振分束器、原子源玻璃泡、电光调制器、45°全反镜和光电探测器等元件，光路布置见附图1，输入的线偏振激光光束100，经过带锁紧的旋转安装座102上的二分之一波片101到达偏振分束器103后分为两束光，透射光束作为泵浦光束，泵浦光束经过电光调制器104被相位调制，离开电光调制器104后，由全反射镜105和全反射镜108两次反射后，透射经过偏振分束器109进入原子源玻璃泡107；线偏振激光光束100经偏振分束器103所产生的反射光束作为探测光束，探测光束由全反射镜106反射后从原子源玻璃泡107的另一个端面进入原子源玻璃泡107内，探测光束与泵浦光束在原子源玻璃泡107内共线反向传播。探测光束离开原子源玻璃泡107后由偏振分束器109反射，经聚焦透镜110会聚后入射到光电探测器111上，获得调制转移光谱信号。再通过电子电路对调制转移光谱信号解调获得鉴频误差信号，提供给激光器伺服系统，进而对激光器稳频，具体实施方法参阅文献‘Modulationtransfer spectroscopy in atomic rubidium.Meas.Sci.Technol.19,105601(2008)’中figure 2的相应部分。

图1所示的现有的调制转移光谱稳频光路装置，在实际应用中存在诸多问题：

1)调节困难，调制转移光谱在激光束进入原子源玻璃泡前将其分为两束，一束用为泵浦光，一束用为探测光，两束光经过调节成为空间共线反向传输状态后才能获得高质量的调制转移谱线，现有的光路布置主要通过调节三个独立的全反射镜来实现这一目的，这种方式的光路的调节不易，耗时费力。

2)稳定性差，获得稳定的激光频率输出需要稳频所用鉴频信号足够稳定，现有的调制转移光谱系统中的光束反射均采用45°平面全反射镜执行，因而用于锁频的鉴频信号的稳定性主要由系统中45°全反镜决定，由于45°全反镜分别独立安装在分立的机械结构上，环境的振动、温度的变化对分立45°全反镜影响不同，进而使得激光束在各45°全反镜上产生角度偏摆和线位移不一致，导致鉴频信号抖动幅度大，从而引起鉴频信号的变化剧烈，使得系统稳频性能变差。

3)原子源玻璃泡工作不稳定，在饱和吸收谱稳频装置工作过程中，需要获得较强的谱线信号需要对原子源玻璃泡进行加热和温度控制，通常的加热方式是在玻璃泡侧面绕制加热线圈，通过温度控制使原子源工作在最佳温度，以获得最强的饱和吸收谱信号，然而这种加热方式，使原子源玻璃泡的玻璃壁不能被均匀加热，线圈密集处的原子源玻璃泡侧壁温度较高，而两端面温度低于侧面，长期运行后原子源玻璃泡内的碱金属原子容易凝华于原子源玻璃泡两端面的内壁，相当端面内壁镀制了一层金属反射膜，这层金属反射膜阻挡了泵浦光和探测光通过原子源玻璃泡，使调制转移光谱信号强度逐步降低，甚至消失，令激光器稳频性能变差，甚至脱锁。

发明内容

为了解决现有的调制转移吸收稳频光路装置调节困难、稳定性差的技术问题，本发明提出了一种高稳定性调制转移光谱稳频光路装置，该装置结构简单、调节方便，并具有很强的稳定性，可以为激光器稳频提供稳定的鉴频信号。

本发明的技术解决方案如下：

高稳定性调制转移光谱稳频光路装置，包括二分之一波片、电光调制器、设置在磁屏蔽罩内的原子源玻璃泡、第三偏振分束器，以及依次设置在第三偏振分束器反射光路上的聚焦透镜和光电探测器；所述磁屏蔽罩的前后端面上设置有通光孔；

其特殊之处在于：

还包括带有倾斜反射面的第二偏振分束器和梯形棱镜；

所述二分之一波片和第二偏振分束器沿同一光路依次设置；

在所述第二偏振分束器的透射光路上依次设置所述电光调制器和梯形棱镜；

在所述第二偏振分束器的反射光路上依次设置所述原子源玻璃泡和第三偏振分束器；

所述第三偏振分束器同时还位于所述梯形棱镜的反射光路上；

所述梯形棱镜的两个等腰侧面与下底面均成45°角；

所述第二偏振分束器由直角棱镜和斜方棱镜胶合构成；斜方棱镜的两斜面平行，且两斜面与两底面之间的夹角均为45°；

所述直角棱镜或斜方棱镜的胶合斜面上镀有偏振分束膜；

所述斜方棱镜的两个平行的通光面表面、所述梯形棱镜的下底面、所述二分之一波片的前后通光表面均镀有与所透射激光波长对应的增透膜；

所述斜方棱镜的另一个斜面、所述梯形棱镜的两个等腰侧面的表面均镀有与所反射激光波长对应的光学高反膜。

进一步地，还包括设置在所述二分之一波片前端的第一偏振分束器，该第一偏振分束器的前后通光表面均镀有与所透射激光波长对应的增透膜。

进一步地，第一偏振分束器安装在带有锁紧装置的第一旋转安装座上。

进一步地，所述磁屏蔽罩上设置有加热装置，磁屏蔽罩外海设置有温控装置，原子源玻璃泡上设置有温度传感探头。

进一步地，所述磁屏蔽罩为中空长方体结构或中空圆柱体结构。

进一步地，所述加热装置为加热线圈，该加热线圈沿磁屏蔽罩的轴向方向绕制；所述通光孔为凸出磁屏蔽罩端面的通光孔。

进一步地，所述加热装置为环状加热片，分别设置在磁屏蔽罩的两个端面上；环状加热片上的中心孔大于所述通光孔。

进一步地，所述原子源玻璃泡的周侧绕制耐高温柔性非金属材料。

本发明的有益效果：

1.本发明中使用梯形棱镜和偏振分束器，对信号光与调制光进行反射，相比于反射镜结构，光学系统的光机元件减少，结构得到了简化，在光路调节时，只需要调整梯形棱镜或者带有倾斜反射面的第二偏振分束器即可，调节难度大大降低，对光路准直要求低，梯形棱镜固定后，光路不易受外界震动、温度等环境影响，提高了光路的稳定性。

2.本发明中的原子源玻璃泡工作稳定，原子源玻璃泡放置在两端面设有通光孔的高磁导率材料制成的磁屏蔽罩内，加热装置和温度控制装置安装在高磁导率材料制成的屏蔽罩外部，加热线圈沿磁屏蔽罩轴向方向绕制，这种加热方式使原子源玻璃泡的玻璃壁能被均匀加热，避免了原子源玻璃泡两端面内壁易出现的碱金属原子凝华问题，整个装置能在外部温度快速变化的环境中长期使用，满足工程化使用条件。

3.本发明利用了梯形棱镜对光路失调不敏感的特性，可以大幅度提高调制转移吸收谱稳频装置产生的鉴频信号稳定性，同时梯形棱镜的各个面之间的角度加工精度可以达到角秒级，与反射镜方式相比使整个光路的对准精度大幅提高。

4.本发明在二分之一波片之前设置了第一偏振分束器，调节旋转座使第一偏振分束器的透射偏振轴与输入的线偏振激光束的偏振方向一致，使得透射激光束的功率随偏振变化减小到最低，从而保证后续分光得到的泵浦光束和探测光束功率稳定，从而减小由于激光功率起伏所导致的了调制转移光谱信号信号抖动，使得提高了激光器的锁频后的稳定性进一步提高。

5.本发明中带有倾斜反射面的第二偏振分束器由一个直角棱镜和一个斜方棱镜胶合构成，在光路中既起到偏振分束的作用，同时也起到与梯形棱镜对光路折转反射类似的效果，与光路中的梯形棱镜共同作用使得调节难度大大降低，光路准直精度大幅度提高，有利于泵浦光和探测光空间重合，进而提高调制转移光谱信号。第二偏振分束器固定后，使光路更加稳定性，抗外界震动、温度等变化的带来的扰动效果更好。

6.本发明调节方便，结构简单，光路稳定性高，稳频信号噪声小，有利于提高激光器稳频的稳定度，梯形棱镜和第二偏振分束器的使用，有效减小了装置的横向尺寸，整个装置容易集成在一个光学基座上，占用空间少，易于小型化、模块化，满足冷原子钟、冷原子干涉仪等冷原子装置的工程化使用。

附图说明

图1为现有的调制转移吸收稳频光路装置的光路原理图。

图2是本发明的高稳定性调制转移光谱稳频光路装置实施例的光路示意图。

图3是本发明中原子源玻璃泡在磁屏蔽罩中的安装方式示意图。

图4是本发明中磁屏蔽罩的第一种结构示意图，(a)为主视图，(b)为左视图。

图5是本发明中磁屏蔽罩的另一种结构的示意图，(a)为主视图，(b)为左视图。

图6是本发明装置获得调制转移谱线试验结果。

图1中附图标记说明：

100-线偏振激光光束；101-二分之一波片；102-旋转安装座；103、109-偏振分束器(PBS)；104-电光调制器；107-原子源玻璃泡；105、106、108-全反射镜；110-聚焦透镜，111-光电探测器。

图2-5中附图标记说明：

200-线偏振激光光束；201-第一偏振分束器；201B-第一旋转安装座；202-二分之一波片；202B-第二旋转安装座；203-第二偏振分束器；204-电光调制器；205-梯形棱镜；206-原子源玻璃泡；206A-耐高温材料柔性非金属材料；206B-温度传感探头；207-磁屏蔽罩；207A-加热装置；207B-通光孔；207C-温控装置；208-第三偏振分束器；209-聚焦透镜；210-光电探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图2所示，本发明包括沿同一光轴依次设置的第一偏振分束器201、二分之一波片202、带有倾斜反射面的第二偏振分束器203；在第二偏振分束器203的透射光路上沿同一光轴依次设置有电光调制器204和梯形棱镜205；在第二偏振分束器203的反射光路上依次设置有原子源玻璃泡206和第三偏振分束器208；在第三偏振分束器208的反射光路上沿同一光轴依次设置有聚焦透镜209和光电探测器210；原子源玻璃泡206、第三偏振分束器208同时也位于梯形棱镜205的反射光路上。

输入的线偏振激光光束200从第一偏振分束器201透射后，经过二分之一波片202到达带有倾斜反射面的第二偏振分束器203后分为两束光，透射光束作为泵浦光束，泵浦光束经过电光调制器204被相位调制，离开电光调制器204后，进入梯形棱镜205内，经过梯形棱镜205两个斜面两次反射后，再经过第三偏振分束器208透射进入原子源玻璃泡206；线偏振激光光束200经带有倾斜反射面的第二偏振分束器203所产生的反射光束作为探测光束，探测光束由第二偏振分束器203的斜面反射后从原子源玻璃泡206的另一个端面进入原子源玻璃泡206内，探测光束与泵浦光束在原子源玻璃泡206内共线反向传播。探测光束离开原子源玻璃泡206后由第三偏振分束器208反射，经聚焦透镜209会聚后入射到光电探测器210上，光电探测器210获得调制转移光谱信号。最后再通过已有技术公开的电子电路对调制信号解调获得鉴频误差信号，提供给激光器伺服系统，进而实现对激光器稳频。

本实施例中：

第一偏振分束器201设置在带有锁紧装置的第一旋转安装座201B上，第一偏振分束器201的前后通光表面均镀有对780nm透过的增透膜。

二分之一波片202设置在带有锁紧装置的第二旋转安装座202B上，二分之一波片202前后表面均镀有对780nm透过的增透膜。

带有倾斜反射面的第二偏振分束器203，由一个直角棱镜和一个斜方棱镜胶合构成，斜方棱镜的两斜面平行，两斜面与两底面之间的夹角均为45°；在直角棱镜或者斜方棱镜的斜面上镀制有偏振分束膜；斜方棱镜的另一个非粘接斜面的表面镀有780nm的高反膜，斜方棱镜的两个平行的通光面表面镀有780nm的增透膜。

梯形棱镜205的上底面与下底面平行，下底面的表面镀有光学增透膜，两个等腰侧面的表面镀有光学高反膜，并且两个等腰侧面与下底面均成45°角。

原子源玻璃泡206的前后端面平行。

原子源玻璃泡206设置在磁屏蔽罩207内，其安放方式如图3所示，原子源玻璃泡206的周侧绕制耐高温柔性非金属材料206A，用以防止原子源玻璃泡206与磁屏蔽罩207内壁碰撞导致损坏；原子源玻璃泡206的外侧壁上还设置有温度传感探头206B，用以监控原子源玻璃泡206的实际温度；温度传感探头206B的测量精度优于0.1度。

磁屏蔽罩207可以为中空长方体，或者中空圆柱体；磁屏蔽罩207采用坡莫合金或纯铁等高磁导率材料制成，磁屏蔽罩207的前后端盖上均设有通光孔207B，该通光孔207B的孔径略大探测光束和泵浦光束的直径，磁屏蔽罩207的外部安装有加热装置207A和温控装置207C，温控装置207C与加热装置207A和温度传感探头206B相连接。

加热装置207A可以为双绞线绕制的加热线圈，双绞线由带有绝缘漆涂覆层的高电阻金属线编成，加热线圈绕制方向如图4所示，沿磁屏蔽罩207的轴向方向绕制；此时，通光孔207B最好为凸出端面的通光孔，以对加热线圈起到限位隔挡作用。

加热装置207A也可以为环状加热片，例如图5所示的双圆环形加热片，该双圆环形加热片紧贴安装在磁屏蔽罩207的两个端面上。

本实施例中所有光学元件连同其安装座一起，设置在一个光学基座上，光学元件的安装座根据整个光路的光心高度设计加工，并保持光学设计要求。

技术效果验证：

对于冷⁸⁷Rb原子实验需要激光器提供频率稳定的冷却光，采用基于本发明光路装置的调制转移光谱稳频装置，将窄线宽半导体激光器稳频至⁸⁷Rb原子的|5²S_1/2，F＝2>→|5²P_3/2，F′＝3>跃迁频率上。图6是采用本发明的光路后获得的调制转移光谱谱线(间断线圆圈中信号峰所在的谱线)。根据图6可发现，基于本发明所得到的鉴频误差信号中⁸⁷Rb的F＝2到F′＝2和F′＝3的调制转移谱线信号峰清晰可见，本底非常平坦，其中图6中间断线圆圈中的调制转移谱线信号峰对应⁸⁷Rb原子的|5²S_1/2，F＝2>→|5²P_3/2，F′＝3>跃迁，其误差信号噪声水平低，信号强度稳定，信号线型清晰，可用于窄线宽外腔半导体激光器DLpro的频率锁定。与图1所示现有光路装置相比，获得的调制转移光谱信号更稳定，使激光器更容易锁定，且锁定后的激光器频率抖动幅度更小。且光路调节简单快捷，光路固化后使用者无需进行反复调试即可安装于光学系统中。