专利名称：相干双色光源装置及相干双色光的生成方法
技术领域：
本发明涉及被动型相干布居囚禁原子钟领域，尤其涉及一种相干双色光源生成装置及相干双色光的生成方法。
背景技术：
被动型CPT(Coherent Population Trapping,相干布居囚禁)原子钟是一种提供高稳定度、高准确度频率信号的设备，它可满足导航、精确定位、精密计时和精密测量等众多应用的要求。而且，被动型CPT原子钟具有体积小、功耗低、重量轻、启动快和可微型化等诸多特点，因而原子钟可应用于导航、通信、导弹制导、卫星控制、电网调节和电子学仪器设备等技术领域。CPT原子钟的原理为两种不同频率的激光场与三能级原子体系作用，如果这个两个激光的频率差等于原子两个基态超精细结构之间间隔，且满足双光子共振条件，则基态的两个子能级就被相干地耦合起来，子能级上的原子不再从两个激光场中吸收光子，不会被激发到激发态，即原子被囚禁在基态的两个子能级上。当其中一束光的频率在原子共振频率附近扫描时，光在原子介质中的透射强度呈现为电磁诱导透明信号，由于电磁诱导透明信号经过处理后可作为误差信号将晶体振荡器的输出频率锁定在原子基态超精细子能级间隔上。CPT原子钟中重要的组成部分是物理单元，物理单元包括光源、原子气室和光电探测器。光源生成器产生的激光信号通过原子气室与内部的原子气体作用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚禁信号。现有的光源包括激光管和四分之一波片，激光管的输入端连接有电流驱动电路。工作时，电流驱动电路输出直流信号和微波信号耦合后驱动和调节激光管输出所需的激光信号，所述激光信号通过四分之一波片输出左旋或右旋圆偏振光与原子气室内部的原子气体作用并通过光电探测器的探测获得相干布居囚禁信号。然而，现有光源输出的是左旋或右旋圆偏振光，当左旋或右旋圆偏振光作用于原子气室中的原子气体时，由于光抽运效应会使大量原子分布到磁量子数最小或最大的能级，而原子钟跃迁需要的两个磁量子数为零的能级上的布居数很少。此外，现有光源产生的调频多色激光束中主要是±1级频率边带参与CPT过程，其他无用的频率边带作为背景光造成获得的相干布居囚禁信号的对比度很低，从而影响了晶体振荡器输出频率的稳定度。因此，有必要提供一种相干双色光源装置来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种相干双色光源生成装置及相干双色光的生成方法，不仅能生成线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源，从而提高相干布居囚禁信号的质量，进而提高CPT原子钟输出频率的稳定度，而且结构简单、成本低、体积小。为了实现上述目的，本发明提供了一种相干双色光源装置，包括阵列基底、由直流信号驱动的第一激光管以及由微波信号和直流信号耦合成的调制信号驱动的第二激光管，第一激光管和第二激光管固定在阵列基底上，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有半波片、双折射晶体、第一四分之一波片、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。较佳地，半波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45。。较佳地，双折射晶体的光轴方向与双折射晶体的表面的夹角为45°。较佳地，双折射晶体的厚度d满足公式W = Zx ^4，其中，L为第一激光管和
nO ~ne
第二激光管的光中心的距离, 和n。分别为非寻常光和寻常光在双折射晶体中传播的折射 率。较佳地，双折射晶体为钕钒酸钇晶体，第一激光管和第二激光管为垂直腔面发射激光管。较佳地，第一四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为 45。。较佳地，第一激光管发出的激光束垂直于平面部分反射镜的表面入射。较佳地，平面部分反射镜的透射率与反射率的比值为(93±3) (7 y 3)。需要说明的是，平面部分反射镜的透射率与反射率之和为100。相应地，本发明还提供一种相干双色光源的生成方法，包括(I)获取单色水平线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束；(2)将单色水平线偏振激光束转变为单色垂直线偏振激光束，并与调频水平线偏振激光束合束；(3)将单色垂直线偏振激光束转变为单色左旋圆偏振激光束，并将调频多色水平线偏振激光束转变为调频多色右旋圆偏振激光束；(4)将一部分单色左旋圆偏振激光束反射，并将反射的单色左旋圆偏振激光束转换为单色水平线偏振激光束后注入调频多色水平线偏振激光束中，同时将一部分调频多色右旋圆偏振激光束反射，并将反射的调频多色右旋圆偏振激光束转换为调频多色水平线偏振激光束后注入单色水平线偏振激光束；(5)将经过互相注入锁定后获得的透射的单色左旋圆偏振激光束和透射的调频多色右旋圆偏振激光束分别转换为单色垂直线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束，得到偏振方向相互垂直的相干双色激光束。较佳地，透射的单色左旋圆偏振激光束与反射的单色左旋圆偏振激光束的比值为(93±3) (7 ii 3)，透射的调频多色右旋圆偏振激光束与反射的调频多色右旋圆偏振激光束的比值为(93±3) (7ii3)。与现有技术相比，一方面，本发明得到的光源的线偏振方向是相互垂直的且线偏振光可以分解为左旋和右旋圆偏振光的叠加，左旋和右旋圆偏振光产生的抽运效应可以相互抵消，当偏振方向相互垂直的线偏振双色光与原子作用时，会使大量原子布居到磁量子数为零的能级上即原子大量布居在原子钟需要的钟跃迁态上，从而可得到高质量的CPT信号。另一方面，本发明的两个激光管通过平面部分反射镜的反射光进行互相注入锁定，大幅度减少了调频光中不参与CPT过程的其他边带的光强，从而，能够获得纯度较高的近似相干双色光，纯度较高的相干双色光作用于原子气室中的原子气体时，可改善CPT信号的质量。再一方面，本发明的光源装置中采用了两只激光管裸管且本发明的光源装置中的光学器件都适合集成，因而，可大大降低成本并实现微型化。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
图I为本发明相干双色光源装置的结构示意图。
图2为图I中第一激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。图3为图I中第二激光管输出激光束的光路及偏振变化示意图。图4为本发明相干双色光源装置产生的相干双色光的拍频信号和单个激光管受到调制信号驱动产生的多色光边带间的拍频信号的波形图。图5为本发明相干双色光源的生成方法的流程图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如图I所示，本实施例的相干双色光源装置包括阵列基底10、由直流信号Il驱动的第一激光管11和由微波信号和直流信号耦合成的调制信号12驱动的第二激光管12、半波片13、双折射晶体14、第一四分之波片15、平面部分反射镜16和第二四分之一波片17。半波片13、第一四分之一波片15、平面部分反射镜16和第二四分之一波片17沿第一激光管11发射的激光束的出射方向依次设置，双折射晶体14的上端设置在半波片13和第一四分之一波片15之间，双折射晶体14的下端与第二激光管12相对。优选地，第一激光管11和第二激光管12均为垂直腔面发射激光管，双折射晶体14为钕钒酸钇晶体。具体地，半波片13的光轴方向与第一激光管11发出的激光束的偏振方向的夹角为45°。双折射晶体14的光轴方向与双折射晶体14的表面的夹角a为45°。双折射晶
体14的厚度d满足公式
权利要求
1.一种相干双色光源装置，包括阵列基底、由直流信号驱动的第一激光管以及由微波信号和直流信号耦合成的调制信号驱动的第二激光管，第一激光管和第二激光管固定在阵列基底上，其特征在于，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有半波片、双折射晶体、第一四分之一波片、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。
2.如权利要求I所述的相干双色光源装置，其特征在于，半波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°。
3.如权利要求I所述的相干双色光源装置，其特征在于，双折射晶体的光轴方向与双折射晶体的表面的夹角为45 °。
4.如权利要求3所述的相干双色光源装置，其特征在于，双折射晶体的厚度d满足公式:d = Lxn^1，其中，L为第一激光管和第二激光管的光中心的距离，ne和n。分别为非寻常光和寻常光在双折射晶体中传播的折射率。
5.如权利要求I所述的相干双色光源装置，其特征在于，双折射晶体为钕钒酸钇晶体，第一激光管和第二激光管为垂直腔面发射激光管。
6.如权利要求I所述的相干双色光源装置，其特征在于，第一四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°，第二四分之一波片的光轴方向与第一激光管发出的激光束的偏振方向的夹角为45°。
7.如权利要求I所述的相干双色光源装置，其特征在于，第一激光管发出的激光束垂直于平面部分反射镜的表面入射。
8.如权利要求7所述的相干双色光源装置，其特征在于，平面部分反射镜的透射率与反射率的比值为(93±3) (7ii3)。
9.一种相干双色光源的生成方法，包括 (1)获取单色水平线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束； (2)将单色水平线偏振激光束转变为单色垂直线偏振激光束，并与调频水平线偏振激光束合束； (3)将单色垂直线偏振激光束转变为单色左旋圆偏振激光束，并将调频多色水平线偏振激光束转变为调频多色右旋圆偏振激光束； (4)将一部分单色左旋圆偏振激光束反射，并将反射的单色左旋圆偏振激光束转换为单色水平线偏振激光束后注入调频多色水平线偏振激光束中，同时将一部分调频多色右旋圆偏振激光束反射，并将反射的调频多色右旋圆偏振激光束转换为调频多色水平线偏振激光束后注入单色水平线偏振激光束； (5)将经过互相注入锁定后获得的透射的单色左旋圆偏振激光束和透射的调频多色右旋圆偏振激光束分别转换为单色垂直线偏振激光束和调频多色水平线偏振激光束，得到偏振方向相互垂直的相干双色激光束。
10.如权利要求9所述的相干双色光源的生成方法，其特征在于，透射的单色左旋圆偏振激光束与反射的单色左旋圆偏振激光束的比值为(93±3) (7 y 3)，透射的调频多色右旋圆偏振激光束与反射的调频多色右旋圆偏振激光束的比值为(93±3) (7^3)。
全文摘要
本发明公开了一种相干双色光源装置，阵列基底、由直流信号驱动的第一激光管以及由微波信号和直流信号耦合成的调制信号驱动的第二激光管，第一激光管和第二激光管固定在阵列基底上，沿第一激光管发射的激光束的出射方向依次设置有半波片、双折射晶体、第一四分之一波片、平面部分反射镜和第二四分之一波片，第二激光管与双折射晶体相对。本发明的相干双色光源装置不仅能生成线偏振方向相互垂直且纯度较高的相干双色光源，从而提高相干布居囚禁信号的质量，进而提高CPT原子钟输出频率的稳定度，而且结构简单、成本低、体积小。本发明还公开了一种相干双色光的生成方法。
文档编号G02B27/28GK102629102SQ20121008212
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月26日 优先权日2012年3月26日
发明者云恩学, 谭伯仲, 顾思洪 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所