专利名称：泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及背景光抑制光谱滤光接收技术，尤其涉及原子机制的超窄光谱滤光接收技术。
背景技术：
在开放空间激光通信系统中，背景光的干扰是影响信噪比的最主要因素之一，常用干涉滤光片的透射带宽通常在纳米量级，与发射激光的皮米级甚至更窄的线宽相比，干涉滤光片的带宽宽出3个量级，使接收信号中混入大量背景干扰光。为更好抑制背景光的干扰，人们使用带宽更窄的双折射滤光器，将带宽压窄到带宽为埃的水平；为进一步使滤光带宽接近激光线宽，人们还探索使用具有皮米带宽的法布里-波罗标准具，使得背景光的干扰得到了更好的抑制，有效地提高了系统的信噪比。但是，法布里-波罗标准具对温度、 震动、角度等环境因素很敏感，容易与发射激光的频率失配，难以保证系统的工作稳定性，要求高，难度大。原子滤光器也是一种带宽达到皮米水平的滤光器，由于原子滤光器透射频率是建立在原子能级跃迁基础上的滤光器，因此其透射频率稳定无漂移，用于开放空间激光通信中，具有工作频率稳定、接收视场大等优点。目前，已有多种机制的原子滤光器被人们研究和利用，如共振荧光型、原子电离型以及法拉第反常色散型等。共振荧光型、原子电离型由于其存在量子效率低等问题，目前较少使用；而法拉第反常色散型原子滤光器以其透射效率高、响应速度快、可用于成像滤光等优势获得了较大发展。但由于原子滤光器是利用原子能级跃迁的相关效应进行滤光的，目前主要应用的是从原子基态到某一激发态跃迁的一些离散波长，如钠589. Onm和589. 6nm、钾 766nm 和 770nm、铷 780nm 和 795nm、铯 852nm、894nm 和 455nm 等，因此可用波长较少。为进一步拓宽原子滤光器的工作波长种类，人们探索研究了工作在原子低激发态与高激发态之间的激发态原子滤光器。其中，532 nm激发态原子滤光器由于其可以与目前最为成熟的Nd:YAG或NchYVO4倍频激光器相匹配，且可以应用于水下激光探测或通信而备受关注° 文献 I “Experimental demonstration of an excited-state Faradayfilter operating at 532nm”(Optics Letters Vol. 20 No. I, 1995)研究了钾原子工作波长为 532. 33nm 的激发态原子滤光器；文献 2 “The Stark anomalous dispersion opticalfilter: The theory” (TDA Progress Report 42-118,1994)研究了铷原子工作波长为532. 24nm的激发态原子滤光器。由于激发态原子滤光器是工作在低激发态与高激发态跃迁能级之间，因此，要使激发态原子滤光器工作，首先要用泵浦光将原子从基态抽运到低激发态，泵浦激光的频率稳定性直接影响到激发态原子数密度涨落和在各超精细能级的密度分布，这种密度的涨落和分布又会直接影响到滤光器的透过率和滤光透射谱型的稳定性，使滤光器的透射率和透射谱型难以保证
发明内容
本发明的目的是，提供一种泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置。该装置采用原子共振荧光反馈对泵浦激光稳频，使泵浦激光的频率稳定地将基态原子抽运到低激发态，提高了低激发态上的原子数密度及各精细结构能级上原子分布的稳定性，从而提高了原子滤光器的透过率以及滤光谱型的稳定性。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
为了使泵浦激光的频率准确稳定地将基态原子抽运到低激发态，本发明采用原子共振荧光稳频的泵浦激光技术将基态原子抽运到低激发态上。泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置由接收望远镜、原子滤光单元、第一光电探测器和原子稳频泵浦激光单元组成。其中，接收望远镜、原子滤光单元和第一光电探测器依次同轴安装。
信号光和背景光经接收望远镜接收后，输入到原子滤光单元，原子滤光单元对背景光抑制，只允许信号光通过，信号光由第一光电探测器接收，转换成电信号输出，实现原子滤光信号接收。原子稳频泵浦激光单元输出的稳频激光输入到原子滤光单元，激发原子滤光单元产生共振荧光，原子的共振荧光输入到原子稳频泵浦激光单元，用于泵浦激光稳频。原子滤光单兀原子滤光单兀的第一滤光片、第一偏振棱镜、第一磁体、原子泡、第二磁体、第二滤光片和第二偏振棱镜依次放置；第二偏振棱镜与第一偏振棱镜的偏振方向垂直，原子泡中充碱金属原子，恒温筒包裹在原子泡的外面，第一磁体和第二磁体均呈圆环形，置于原子泡的两端，两磁体在原子泡处产生均匀磁场，磁屏蔽筒包裹在第一磁体、原子泡和第二磁体的外面；第二滤光片与信号光入射方向呈45度夹角。原子稳频泵浦激光单兀输入光纤I禹合器连接输入光纤，在输入光纤输出光方向上依次同轴放置第一凸透镜、第三滤光片和第二光电探测器，第二光电探测器输出端连接到稳频控制器，本振信号源的输出分别连接稳频控制器的本振信号输入端和运算放大器的第一输入端，稳频控制器的输出端连接到运算放大器的第二输入端，运算放大器的输出端连接到压电陶瓷的输入端。第一恒温恒流源的输入与输出连接到半导体激光器，在半导体激光器的出射光束方向上依次放置第二凸透镜和光栅，第二凸透镜与激光发射方向同轴，在光栅的零级光输出方向上依次同轴放置第三凸透镜、光放大器和第四凸透镜；在光栅的一级光输出方向上放置反射镜，反射镜的反射面与光栅一级光方向垂直，压电陶瓷紧贴反射镜的一端；第二恒温恒流源的输入与输出端连接光放大器，输出光纤入射端放置在第四凸透镜的焦点处，输出光纤出射端连接输出光纤耦合器。泵浦激光原子稳频原理输出光纤耦合器输出的光束经第二滤光片反射进入原子泡中，原子泡中的原子受激光泵浦，从基态跃迁至低激发态，其中一部分原子自发辐射返回基态，产生共振荧光；共振荧光经过输入光纤耦合器输入到泵浦激光单元，经输入光纤传输和第一凸透镜汇聚后，再经过第三滤光片照射到第二光电探测器上，第二光电探测器将共振荧光信号转换为电信号送入稳频控制器，稳频控制器产生的稳频控制信号经运算放大器比较放大后输出控制压电陶瓷，推动反射镜将光栅的一级衍射光反馈进入半导体激光器，实现激光的稳频控制；光栅的零级衍射光经过第三凸透镜汇聚进入光放大器，光放大器的输出光由第四凸透镜I禹合进入输出光纤，再经过输出光纤I禹合器输入到原子滤光单兀，对原子泡进行泵浦，使输出的泵浦激光能够稳定工作在原子的共振频率上，以获得稳定的激发态原子数密度及其在各超精细能及的分布，从而提高激发态原子滤光器的透过率和工作稳定性。本发明的优点与效果
利用泵浦光对原子泵浦产生的共振荧光信号，反馈控制泵浦激光器输出的激光频率，使泵浦激光器工作频率稳定无漂移，从而使得抽运到低激发态的原子数密度及其在各超精细能级的分布稳定，提高激发态原子滤光器的透过率和透射光谱的稳定性。
图I为泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置结构示意图。其中，I接收望远镜，2原子滤光单元，3第一光电探测器，4原子稳频泵浦激光单 兀;201第一滤光片，202第一偏振棱镜,203第一磁体,204恒温筒,205磁屏蔽筒,206原子泡,207第二磁体,208第二滤光片，209第二偏振棱镜。图2为原子稳频泵浦激光单元的结构示意图。其中，4原子稳频泵浦激光单兀；401输入光纤f禹合器,402输入光纤,403第一凸透镜，404第三滤光片，405第二光电探测器，406稳频控制器，407本振信号源，408运算放大器，409第一恒温恒流源，410半导体激光器，411第二凸透镜，412光栅，413压电陶瓷，414反射镜，415第三凸透镜，416第二恒温恒流源，417光放大器，418第四凸透镜，419输出光纤,420输出光纤I禹合器。图3为铷原子和钾原子的激发态原子滤光器的能级图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作进一步的说明。如图I所示，泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置由接收望远镜I、原子滤光单元2、第一光电倍增管3和原子稳频泵浦激光单元4组成。原子滤光单兀2的第一滤光片201、第一偏振棱镜202、第一磁体203、原子泡206、第二磁体207、第二滤光片208和第二偏振棱镜209依次放置；第一偏振棱镜201与第二偏振棱镜209的偏振方向垂直,原子泡206中充碱金属原子,恒温筒204包裹在原子泡206的外面，恒温温度在180 200摄氏度之间；第一磁体203和第二磁体207均呈圆环形,置于原子泡206的两端，在原子泡206处产生均匀轴向磁场，磁场强度在800 1200Gs之间，磁屏蔽筒205包裹在第一磁体203、恒温筒204和第二磁体207的外面；第二滤光片208与信号光入射方向呈45度角。如图2所示，原子稳频泵浦激光单元4的输入光纤耦合器401连接输入光纤402，在输入光纤402输出光方向上依次同轴放置第一凸透镜403、第三滤光片404和第二光电探测器405，第二光电探测器405输出端连接稳频控制器406的反馈输入端，本振信号源407的方波和正弦波输出端分别连接稳频控制器406的本振信号输入端和运算放大器408的第一输入端，稳频控制器406的输出端连接运算放大器408的第二输入端，运算放大器408的输出端连接压电陶瓷413的控制端。第一恒温恒流源409的输入端与输出端均连接半导体激光器410，半导体激光器410的出射光束方向上依次放置第二凸透镜411和光栅412，第二凸透镜411与激光发射方向同轴，在光栅412的零级衍射光输出方向上依次同轴放置第三凸透镜415、光放大器417和第四凸透镜418 ;在光栅412的一级光输出方向上放置反射镜414，反射镜414的反射面与一级光方向垂直；第二恒温恒流源416的输入端与输出端均连接光放大器417,输出光纤419的入射端放置在第四凸透镜418的焦点处，输出光纤419的出射端连接输出光纤耦合器420。如图I和图2所示，接收望远镜I、原子滤光单元2和第一光电探测器3依次同轴放置，原子稳频泵浦激光单元4的输出光纤耦合器420输出方向与原子滤光单元2的第二滤光片208呈45度角；原子稳频泵浦激光单兀4的输入光纤稱合器401输入方向对准原子滤光单元2的原子泡206侧面。上述原子泡206中的原子采用铷原子，如图3所示，基态为525^1/2 ,低激发态为53P1/5，高激发态为IQ2Sy2 ;半导体激光器410的输出波长为794. 760nm。 上述原子泡206中的原子还可以采用钾原子，如图3所示，基态为，低激发
态为,高激发态为S2Sy2 ,半导体激光器410的输出波长为769. 896nm。本发明的工作原理为
信号光和背景光经接收望I远镜接收后，输入到原子滤光单元2，原子滤光单元2对背景光抑制，只允许信号光通过，信号光由第一光电探测器3接收，转换成电信号输出，实现原子滤光信号接收。原子稳频泵浦激光单元4的输出光束经第二滤光片208反射进入原子泡206中，原子泡206中所充原子受激光激发，从基态跃迁至低激发态，其中一部分原子自发辐射返回基态，产生共振突光；共振突光经过输入光纤稱合器401以及输入光纤402,传输到第一凸透镜403，再经第三滤光片404照射到第二光电探测器405上，第二光电探测器405将共振荧光信号转为电信号送入稳频控制器406，稳频控制器产生的稳频控制信号经运算放大器408比较放大后输出控制压电陶瓷413，压电陶瓷413推动反射镜414，将一级衍射光反馈进入半导体激光器410中实现激光频率的控制，光栅412的零级光经过第三凸透镜415汇聚进入光放大器417,光放大器417的输出光由第四凸透镜418 I禹合进入输出光纤419,再经过输出光纤耦合器420输入到原子滤光单元2中，对原子泡206进行泵浦，使输出的泵浦激光能够稳定工作在原子的共振频率上，以获得稳定的激发态原子数密度的分布，从而提高激发态原子滤光器的透过率和透射谱的稳定性。
权利要求
1.泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置，其特征在于，该装置由接收望远镜(I)、原子滤光单元(2)、第一光电探测器(3)和原子稳频泵浦激光单元(4)组成； 原子滤光单兀(2)的第一滤光片(201)、第一偏振棱镜(202)、第一磁体(203)、原子泡(206)、第二磁体(207)、第二滤光片(208)和第二偏振棱镜(209)依次放置；第一偏振棱镜(201)与第二偏振棱镜(209)的偏振方向垂直，原子泡(206)中充碱金属原子，恒温筒(204)包裹在原子泡(206)的外面，第一磁体(203)和第二磁体(207)均呈圆环形，置于原子泡(206 )的两端，磁屏蔽筒(205 )包裹在第一磁体(203 )、恒温筒(204 )和第二磁体(207 )的外面；第二滤光片(208)与信号光入射方向呈45度角； 原子稳频泵浦激光单兀(4)的输入光纤稱合器(401)连接输入光纤(402),在输入光纤(402 )输出光方向上依次同轴放置第一凸透镜(403 )、第三滤光片(404 )和第二光电探测器(405)，第二光电探测器(405)输出端连接稳频控制器(406)的反馈输入端，本振信号源(407)的方波和正弦波输出端分别连接稳频控制器(406)本振信号输入端和运算放大器(408)的第一输入端，稳频控制器(406)的输出端连接运算放大器(408)的第二输入端，运算放大器(408)的输出端连接压电陶瓷(413)的控制端； 第一-〖亘温恒流源(409)的输入端与输出端均连接半导体激光器(410),半导体激光器(410)的出射光束方向上依次放置第二凸透镜(411)和光栅(412)，第二凸透镜(411)与激光发射方向同轴，在光栅(412)的零级衍射光输出方向上依次同轴放置第三凸透镜(415)、光放大器(417)和第四凸透镜(418);在光栅(412)的一级光输出方向上放置反射镜(414),反射镜(414)的反射面与一级光方向垂直；第二恒温恒流源(416)的输入与输出端连接光放大器(417)，输出光纤(419)入射端放置在第四凸透镜(418)的焦点处，输出光纤(419)的出射端连接输出光纤I禹合器(420)； 接收望远镜(I)、原子滤光单元(2)和第一光电探测器(3)依次同轴放置，原子稳频泵浦激光单兀(4)的输出光纤f禹合器(420)输出方向与原子滤光单兀(2)的第二滤光片(208)呈45度角；原子稳频泵浦激光单元(4)的输入光纤耦合器(401)输入方向对准原子滤光单元(2)的原子泡(206)侧面。
2.根据权利要求I所述的泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置，其特征在于，所述原子泡(206)中的原子采用铷原子，半导体激光器(410)的输出波长为794. 760nm。
3.根据权利要求I所述的泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置，其特征在于，所述原子泡(206)中的原子采用钾原子，半导体激光器(410)的输出波长为769. 896nm。
全文摘要
本发明公开了一种泵浦激光原子稳频的激发态原子滤光接收装置，该装置由接收望远镜(1)，原子滤光单元(2)，第一光电探测器(3)和原子稳频泵浦激光单元(4)组成；利用原子产生的共振荧光对泵浦激光器进行反馈稳频，使泵浦激光器工作频率稳定无漂移，进而使得处于低激发态的原子数密度及各超精细能级分布稳定，从而提高激发态原子滤光器透过率和透射谱型的稳定性。
文档编号H01S3/131GK102709802SQ20121018208
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月5日 优先权日2012年6月5日
发明者宋沙磊, 李亚娟, 李发泉, 杨勇, 林鑫, 武魁军, 程学武, 马建新, 龚顺生 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所