一种集成化激光系统及方法与流程

本发明属于原子频标技术领域，涉及激光系统，尤其是一种集成化激光系统及方法，适用于原子频标、光与原子相互作用实验。

背景技术：

自上世纪60年代激光器发明以来，在科研、医学、军事等各方面已经有着非常广泛的应用。激光器成为新型原子钟研究必不可少的工具，基于激光器应用的激光冷却原子技术、窄线宽激光技术、脉冲激光技术以及光梳技术等大大推动了原子钟的发展，因而小型激光系统的研制成为近年来原子钟领域的热点和关键。目前，法国巴黎天文台为铯冷原子钟HORACE研制的小型滤光片反馈外腔半导体激光器，体积只有65mm×99mm×37mm，远小于传统激光器，线宽达300kHz。法国CNES为空间铯原子钟PHARAO研制成功了小型激光系统，整个激光部分采用一体化设计，光栅外腔半导体激光器可自动调谐具有良好的抗震性能。瑞士Neuchatel大学时间频率实验室(LTF)在小型激光抽运铷原子钟研究中，采用DFB激光二极管作为光源，使用AOM对泵浦激光进行移频，整个光学部分包含铷饱和吸收体积为10cm×12.5cm×17.5cm。

本发明为应用于激光脉冲抽运、微波脉冲激励、原子自由感应衰变信号或光探测方案的新型铷原子钟的集成化激光系统。目前这种新型铷原子钟的激光系统都是桌面系统，光学元器件放置在光学平台上，体积比较大，而且对于振动和外界环境的变化比较敏感；其次采用光学探测、微波探测以及偏振光探测方法，各个研究机构的激光系统各不相同，不利于原子钟性能的研究和稳定度指标的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种集成化激光系统及方法，其使用方便、受外界环境影响小、能够同时实现光探测、微波探测和偏振光探测的功率和频率稳定。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种集成化激光系统，包括安装板，在安装板上设置有作为光源的激光二极管，所述激光二极管的出射光路上依次设置有第一凸透镜、整形棱镜、第一反射镜、激光隔离器、第一1/2波片和第一偏振分束棱镜；

所述第一偏振分束棱镜垂直于光轴的a路透射光路上设置有第二个偏振分光棱镜，所述第二个偏振分光棱镜的反射光路上依次设置有原子泡、第一1/4波片和第一全反射镜片；第二个偏振分光棱镜的透射光光路上设置有第一光电探测器；

所述第一偏振分束棱镜平行于光轴的b路透射光路上依次设置有第二反射镜、第二凸透镜、第三偏振分光棱镜、第一声光调制器、第三凸透镜、第二1/4波片和第二全反射镜；所述第三偏振分光棱镜的左路光路上还设置有部分反射镜，所述部分反射镜的透射光路上设置有第二光电探测器；所述部分反射镜的反射光路上依次设置有第五凸透镜、第四凸透镜和偏振片。

所述激光二极管输出光斑为发散的长条形。

所述激光二极管设置在安装板的右侧。

激光二极管、第一凸透镜和整形棱镜单独安装在一个底板上进行单

独的控温和隔离。

所述激光隔离器的隔离度为60dB。

所述第二凸透镜的焦距为4.5mm；第三凸透镜的焦距为4.5mm。

一种集成化激光系统的工作方法，其特征在于：

激光二级管输出光斑为发散的长条形，经过第一凸透镜进行准直后，变为一个椭圆的平行光，整形棱镜对激光进行整形，获得一个圆形的光斑；

整形棱镜对的输出光通过激光隔离器，激光隔离器输出光经过第一1/2波片改变出射光的偏振方向，经过第一1/2波片后的出射光入射到第一偏振分束棱镜上，将激光分为垂直于光轴的a路反射光和平行于光轴的b路透射光；

垂直于光轴的a路光向下入射到第二个偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜对激光进行反射，反射光到左边依次经过原子泡实现激光与原子的相互作用、第一1/4波片对激光的偏振态旋转、第一全反射镜片实现激光的反射；反射后激光原路返回依次经过第一1/4波片和原子泡，入射到第二偏振分光棱镜上，经过两次第一1/4波片，激光的偏振态由反射光变为透射光，入射到第二偏振分光棱镜后的第一光电探测器上，获得铷原子的超精细跃迁饱和吸收光谱；在激光二极管的驱动电流上加一调制信号，然后对第一光电探测器获得的原子饱和吸收信号进行解调，得到误差信号，误差信号反馈到激光二极管的电流控制端，实现对激光器频率相对于铷原子超精细跃迁频率的锁定；

平行于光轴的b路透射光经第二反射镜后，向下经过第二凸透镜，第二凸透镜将激光聚焦在第一声光调制器中心；第二凸透镜的出射光入射到第三偏振分光棱镜激光全部透射；透射光入射到第一声光调制器；第三凸透镜将第一声光调制器的输出光变为平行光束，经过第二1/4波片后入射到第二全反射镜上，经过第二全反射镜后，b路透射光沿原路返回，再次经过第二1/4波片，偏振态变为反射光，入射到第三凸透镜，聚焦到第一声光调制器的中心，然后由第三偏振分光棱镜进行分光后，反射光向左输出；通过对第一声光调制器的驱动射频源进行脉冲调制和幅度调制，获得用于原子钟泵浦和抽运的脉冲激光图；

反射光向左入射到第一部分反射镜，透射光部分被第二光电探测器探测，实现激光功率的锁定；反射光经过第四凸透镜和第五凸透镜，通过调谐两个凸透镜的间距实现激光的扩束，扩束后经过第一偏振片输出，实现用于原子钟探测的高消光比的偏振光。

所述原子泡(17)为铷泡。

本发明和现有技术相比，具有如下有益技术效果：

1、本发明采用一体化设计，实现了频率和功率稳定脉冲抽运和探测激光，扩束后经过偏振片输出，可以满足铷原子钟的泵浦和探测需要，光源小型化、方便携带、高稳定抗干扰。

2、本发明中整个光学部分的底座采用一体化设计，根据光路高度和出光口要求，在不同光学器件的相应位置铣出合适的底座，在调整准确后用环氧树脂胶固定。在激光外壳处，留出相关电路接口和出光通孔及窗口镜。

3、通过AOM调制方式实现了脉冲抽运激光和脉冲探测激光；

4、通过饱和吸收法将激光二极管输出频率锁定到原子的跃迁线上，实现了激光二极管的频率自动锁定；

5、对AOM移频后的输出激光功率进行稳定，获得了功率稳定的激光；

6、对AOM移频后的激光进行扩束，同时采用偏振片，获得了大光斑线偏振光；

7、整个系统采用一体化机械设计，实现了激光系统的小型化和集成。

附图说明

图1集成化激光系统的框图；

图2铷原子的超精细跃迁谱线；

图3激光器频率锁定的误差信号和探测器输出；

图4示波器测量的输出的脉冲抽运激光和脉冲探测激光；

图5锁定后的激光功率起伏。

其中：1为激光二极管；2为第一凸透镜(准直透镜)；3为整形棱镜；4为第一反射镜；5为激光隔离器；6为第一1/2波片；7为第一偏振分束棱镜；8为第二反射镜；9为第二凸透镜；10为第三偏振分光棱镜；11为声光调制器；12为第三凸透镜；13为第二1/4波片；14为第二全反射镜；15为第一光电探测器；16为第二偏振分光棱镜；17为原子泡；18为第四凸透镜；19为偏振片；20为第五凸透镜；21为部分反射镜；22为第一1/4波片；23为第一全反射镜；24为第二光电探测器；25为激光头模块；26为安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-5,一种集成化激光系统，包括安装板26，在安装板26上右侧设置有作为光源的激光二极管1，所述激光二极管1的出射光路上依次设置有第一凸透镜2、整形棱镜3、第一反射镜4、激光隔离器5、第一1/2波片6和第一偏振分束棱镜7；

所述第一偏振分束棱镜7垂直于光轴的a路透射光路上设置有第二个偏振分光棱镜16，所述第二个偏振分光棱镜16的反射光路上依次设置有原子泡17、第一1/4波片22和第一全反射镜片23；第二个偏振分光棱镜16的透射光光路上设置有第一光电探测器15；

所述第一偏振分束棱镜7平行于光轴的b路透射光路上依次设置有第二反射镜8、第二凸透镜9、第三偏振分光棱镜10、第一声光调制器11、第三凸透镜12、第二1/4波片13和第二全反射镜14；所述第三偏振分光棱镜10的左路光路上还设置有部分反射镜21，所述部分反射镜21的透射光路上设置有第二光电探测器24；所述部分反射镜21的反射光路上依次设置有第五凸透镜20、第四凸透镜18和偏振片19。

所述激光二极管1输出光斑为发散的长条形。

所述激光二极管1设置在安装板26的右侧。

激光二极管1、第一凸透镜2和整形棱镜3单独安装在一个底板上

进行单独的控温和隔离。

所述激光隔离器5的隔离度为60dB。

所述第二凸透镜9的焦距为4.5mm；第三凸透镜12的焦距为4.5mm。

一种集成化激光系统的工作方法：

激光二级管1输出光斑为发散的长条形，激光二级管1是整个集成化激光系统的光源，经过第一凸透镜2进行准直后，变为一个椭圆的平行光，整形棱镜3对激光进行整形，获得一个圆形的光斑；激光二极管1、第一凸透镜2和整形棱镜对3单独安装在一个底板上，对其进行单独的控温和隔离，增强激光的稳定性，同时方便更换激光二极管；

整形棱镜对3的输出光通过激光隔离器5，隔离度为60dB，防止反馈影响激光性能。激光隔离器5输出光经过第一1/2波片6改变出射光的偏振方向，经过第一1/2波片6后的出射光入射到第一偏振分束棱镜7上，将激光分为垂直于光轴的a路反射光和平行于光轴的b路透射光；通过旋转第一1/2波片可以调节a路反射光和b路透射光的光强。

垂直于光轴的a路光向下入射到第二个偏振分光棱镜16，第二偏振分光棱镜16对激光进行反射，反射光到左边依次经过原子泡17实现激光与原子的相互作用、第一1/4波片22对激光的偏振态旋转、第一全反射镜片23实现激光的反射；反射后激光原路返回依次经过第一1/4波片22和原子泡17，入射到第二偏振分光棱镜16上，经过两次第一1/4波片22，激光的偏振态由反射光变为透射光，入射到第二偏振分光棱镜16后的第一光电探测器15上，获得铷原子的超精细跃迁饱和吸收光谱；在激光二极管1的驱动电流上加一调制信号，然后对第一光电探测器15获得的原子饱和吸收信号进行解调，得到误差信号，误差信号反馈到激光二极管1的电流控制端，实现对激光器频率相对于铷原子超精细跃迁频率的锁定(图3)；

平行于光轴的b路透射光经第二反射镜8后，向下经过第二凸透镜9，第二凸透镜9焦距为4.5mm，将激光聚焦在第一声光调制器11中心，提高AOM的衍射效率；第二凸透镜9的出射光入射到第三偏振分光棱镜10激光全部透射；透射光入射到第一声光调制器11，第一声光调制器(AOM)11实现对激光的脉冲调制和移频，所用的声光调制器(AOM)频率为80MHz；第一声光调制器(AOM)11的出射光入射到第三凸透镜12；第三凸透镜12的焦距也为4.5mm，第三凸透镜12将第一声光调制器11的输出光变为平行光束，经过第二1/4波片13后入射到第二全反射镜14上，经过第二全反射镜14后，b路透射光沿原路返回，再次经过第二1/4波片13，偏振态变为反射光，入射到第三凸透镜12，聚焦到第一声光调制器11的中心，然后由第三偏振分光棱镜10进行分光后，反射光向左输出；通过对第一声光调制器11的驱动射频源进行脉冲调制和幅度调制，获得用于原子钟泵浦和抽运的脉冲激光图4；

反射光向左入射到第一部分反射镜21，透射光部分被第二光电探测器24探测，实现AOM后激光功率的锁定，锁定后的激光功率见图5；反射光经过第四凸透镜(18)和第五凸透镜20，第四凸透镜的焦距是10mm，第五凸透镜的焦距为100mm，通过调谐两个凸透镜的间距实现激光的扩束，扩束的的激光光斑直径为20mm，扩束后经过第一偏振片19输出，实现用于原子钟探测的高消光比的偏振光。

所述原子泡17为铷泡。

本发明为了减小空气流动对激光器温度的影响，在激光二极管和准直透镜部分进行了隔离，为了降低原子泡温度变化对原子谱线的影响，气泡进行了温控。铝合金壳体进行去应力设计、防光路变形设计、抗温度变化设计、密封防尘设计。光源整体一体化、小型化、方便携带、高稳定抗干扰。