基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光频率的稳定技术，具体是一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法。
【背景技术】
[0002]现代社会中，信息的作用在军事与人们日常的生产生活中越来越重要，掌握信息越迅速、越准确、越丰富，也就掌握了主动权从而在军事与生产生活中取得领先。激光在空间控制性与时间控制性上具有显著的优势，使其对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，激光的出现引发了一场信息革命，从VCD、DVD光盘到激光照排，激光的使用大大提高了效率，方便了人们保存和提取信息。激光作为现代科学技术的重要标志，已经在文化娱乐、工业应用和科学研究等诸多领域得到广泛的应用，频率的稳定是激光的重要特性之一，激光频率稳定在信息的存储与精密加工中有重要的意义，这就使得激光的稳频技术得到更加的重视。
[0003]激光频率的稳定对研究高分辨率分子和原子光谱、激光干涉测量、冷却和俘获原子、光纤通信、频率选择光学资料存储具有重要意义。激光稳频的初期，由于只是关注参数稳定、工作状态和周围环境的调控，稳定度只能达到10—8数量级，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线来稳定激光频率后，激光频率稳定度激增，很快达到10—11数量级。利用原子、分子的跃迀谱线来锁定激光的频率使得激光频率稳定进入了一个新阶段。因此，国内外通常采用将激光频率锁定在原子、分子的跃迀谱线上的稳频方法来获得频率稳定的激光，这种方法通过解调原子饱和吸收光谱得到鉴频线来锁定激光频率，得到了很好的稳频效果。此时，光谱线的增宽效应掩盖了光谱结构的细节，成为限制激光频率稳定性提高的主要因素。光谱增宽的来源有三个因素:谱线的自然宽度、压致(碰撞)增宽、多普勒增宽。当压力小于1333Pa( 1mmHg)时，压制增宽并不严重，与自然宽度有相同量级。其中多普勒增宽通常比自然宽度大两个数量级，是实际谱线宽度的主要成分。因此，无多普勒展宽技术对于激光频率稳定具有重要的意义。
[0004]国内外通常采用两种方法获得无多普勒光谱:一、冷却原子与分子技术。二、采用原子双光子跃迀技术。相比于冷却原子与分子装置庞大、复杂且昂贵的特点，原子的双光子跃迀技术因其简便性、稳定性、经济性成为利用无多普勒光谱稳定激光频率的首选。正因为双光子跃迀技术稳定激光频率方面的优越性，双光子跃迀被用于新一代的频率基准一一光钟，双光子光钟在显著降低系统复杂度的同时，频标稳定性和鲁棒性也大大提高。利用原子双光子跃迀技术获得的无多普勒光谱的谱线宽度由激光器输出激光的线宽决定。传统获得的原子双光子谱线需要使用一台或者两台半导体激光器的连续激光。因此，半导体激光器输出连续激光的线宽决定了无多普勒光谱的线宽。然而，半导体激光器的激光线宽在兆赫兹(16Hz)量级，使得无法进一步压窄双光子光谱的线宽。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有利用原子与分子光谱激光的稳定技术易受原子运动产生的多普勒效应以及作用激光固有线宽影响双光子光谱谱线宽度，以至于降低激光的频率稳定效果等技术问题，利用飞秒脉冲栗浦与连续激光相结合获得窄线宽双光子跃迀光谱谱线，提供了一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置及方法。
[0006]本发明所述的基于双光子跃迀超窄谱线效应的激光频率锁定装置是采用以下技术方案实现的:一种基于双光子超精细能级光谱的激光频率锁定装置，包括半导体激光器、顺次位于半导体激光器激光出射光路上的激光隔离器、第一半玻片及第一偏振分束棱镜；沿着第一偏振分束棱镜激光的透射光路顺次有第一凸透镜、第二凸透镜第二半波片和第二偏振分束棱镜;第二偏振分束棱镜的透射光路上依次有第一平凸镜、凹透镜及声光调制器；所述凹透镜的凹面朝向声光调制器;声光调制器信号输入端连接有信号发生器，声光调制器的出射光路上依次设有四分之一玻片、第二平凸镜、遮光片;第二平凸镜的透射光路上还设有能够将声光调制器出射的正/负一级衍射光反射回声光调制器的第一全反射镜;第二偏振分束棱镜的反射光路上依次设有第二全反射镜、第四全反射镜及第三全反射镜，还包括一个出射光路与第三全反射镜的反射光路反向共线的飞秒激光器;第三全反射镜与飞秒激光器之间设有内设碱金属原子蒸汽室的金属磁屏蔽罩;金属磁屏蔽罩的一侧开有激光第一入射口，另一侧开有激光第二入射口；第三全反射镜的反射光与飞秒激光器的出射光分别经激光第一、第二入射口进入金属磁屏蔽罩并反向共线作用于碱金属原子蒸汽室;金属磁屏蔽罩上还开有荧光收集口，荧光收集口外依次设有第四凸透镜、窄带滤光片及光电倍增管，光电倍增管信号输出端连接有放大器，放大器信号输出端连接有锁相放大器，锁相放大器的一个信号输出端连接有示波器，另一个信号输出端与半导体激光器的电流控制端口相连接。
[0007]所述半导体激光器发射的激光频率对应碱金属原子的基态至某一激发态的跃迀；飞秒激光器发射的飞秒激光频率对应碱金属原子的某一激发态到另一个激发态的跃迀。这样就可以经由第四凸透镜、窄带滤光片及光电倍增管获得双光子光谱，并将双光子光谱用于半导体激光器的频率锁定。
[0008]通过扫描连续激光频率与保持飞秒激光的频率不变可以有效的激发碱金属原子双光子跃迀，通过金属磁屏蔽壳有效地隔绝磁场，采用透镜收集碱金属原子自发辐射的荧光，荧光中的杂散光由滤光片滤出后由光电倍增管探测，即获得碱金属原子双光子跃迀的窄带光谱。窄带光谱经放大器放大后通入锁相放大器获得误差信号即可稳定半导体激光的频率。本申请可以稳定从300nm到1550nm不同频率的激光，获得激光频率稳定的高质量输出光束。
[0009]飞秒激光的频率不变作为栗浦光激发碱金属原子双光子跃迀的第二步跃迀，飞秒激光频率不变消除了频率变化对双光子谱线的影响，相比于传统的双光子跃迀第一与第二步激光频率都需扫描降低了频率扰动带来的谱线展宽，对打的连续激光与飞秒激光通过双光子效应消除多普勒背景获得了无多普勒背景的双光子光谱。利用声光调制器在外部扫描连续激光的频率是为了在不改变激光器频率的基础上外部扫描激光的频率，双次通过声光调制器是为了消除之后扫描激光频率时带来激光方向的变化。
[0010]第一平凸镜与凹透镜、声光调制器、四分之一玻片、第二平凸镜、遮光片与第一全反射镜组成的结构可使激光双次通过声光调制器，该结构用于在外部改变激光的频率，通过这个结构激光器可以在保持输出激光频率不变的基础上利用此结构外部扫描激光的频率，此外激光双次通过声光调制器可以在扫描激光频率的同时保证装置中光路不发生改变;第二、第三与第四全反射镜的光束准直结构用于提高激光激发双光子跃迀的几率，第四凸透镜用于收集荧光于光电倍增管，放大器用于放大所获得的荧光信号，锁相放大器用来将放大后的信号调制解调产生误差信号，获得的误差信号输入到半导体激光器进行锁频，示波器用来监视双光子光谱与误差信号。
[0011]进一步的，第三全反射镜与金属磁屏蔽罩的激光第一入射口之间设有第五凸透镜;飞秒激光器与金属磁屏蔽罩的激光第二入射口之间设有第三凸透镜;所述碱金属原子蒸汽室上与连续激光和飞秒激光两道入射光对应的两个入射窗口均为布儒