一种集成化小型法拉第原子滤光器的制作方法

本发明属于光电子技术领域，尤其是磁光调制器和原子磁光虑光器领域，更具体地涉及窄线宽法拉第原子滤光器器的集成化和小型化技术。

背景技术：

磁光调制器是利用磁光材料的磁光效应，或者法拉第效应——偏振光通过物质后偏振面发生改变的现象，偏振面相对原偏振面的夹角为旋转角θ＝vbl，其中v称为维尔德常数，单位为rad/t*m，b是沿光传播方向的磁场强度，l是光在物质中传播的距离。如果要偏转一定的角度，物质的维尔德传输越大，所需磁场和样品的长度就可以越小。磁光调制技术被广泛应用于光通信、方位基准传递、精密测角、材料性能研究、工业参量测量和生物化学等众多领域。

通常磷晃玻璃、轻火石玻璃、水晶、磷等旋光材料的维尔德常数不足100，钇铁石榴石晶体的维尔德常数可达1700，被广泛应用于光通信的环形器和隔离器。而碱金属原子气体可达到109量级。所以采用碱金属原子气体可以大大减少所需磁场强度和物质长度。

在许多光电探测系统中，对背景光干扰抑制和对信号光频率变化检测的要求越来越高。通常高分辨率的光学器件，如干涉滤光片，法布里-珀罗标准具，以及原子滤光器等被用来实现对光频率的选择和鉴别。

原子滤光器的原理都基于原子内部的能级跃迁，按照其通过原子跃迁实现滤光方式的不同，可分为多种形式，常见的有荧光型、电离型、法拉第旋转型等。

法拉第旋转型滤光器利用法拉第旋光效应，滤光器能从较强宽带背景光中提取出微弱窄带光信号，具有窄带宽、高透射率、大视场角、较快的时间响应度和较高的带外噪声抑制比等优点，可运用于自由空间光通信，水下光通信，深空光通信，遥感，激光雷达等领域。

目前的法拉第原子滤光器都是由分离器件组成，包括一个置于适当恒温及轴向磁场的原子气体参比池以及置于两端的一对正交偏振片所组成，其中轴向磁场由永久磁铁或者通过由电路控制的螺绕环线圈绕在原子气体参比池圆柱表面来提供，偏振片由分立的格兰棱镜或其他偏振镜组成。关于现有技术在cn1460877，cn103701030等专利中有较为详细的描述。

在空间光通信、深空光通信，遥感等领域光器件及其系统需要飞行器输送，对系统的体积和重量提出了挑战，小型化甚至微型化相关光器件、提高系统集成度是技术发展的必然路径。

现有技术中的法拉第原子滤光器体积较大，如气体参比池长度7cm以上，重量较大；且现有滤光器由原子气体参比池、偏振片以及提供磁场的线圈几部分组装而成，使用前需要对滤光器进行安装和调试；现有技术中的通过永久磁铁加上螺旋管提供磁场，需要永磁体物质，且磁场不可控；现有技术中需要为电阻丝提供已个封闭的空间，无形中增大了滤光器体积；总之，现有的滤光器集成化程度不够。

技术实现要素：

为了解决法拉第原子滤光器小型化问题，特公开本发明：一种集成化小型法拉第原子滤光器，包括原子气体参比池、螺旋电感、偏振片和加热丝，其中，所述原子气体参比池为柱状体，用于提供滤光器的工作物质；所述螺旋电感位于原子气体参比池的两端，用于提供沿气体参比池轴向的磁场；在所述螺旋电感的两外端各设有偏振片，用于起偏和检偏；在所述原子气体参比池的外表面的四周设有若干个环形的加热丝；加热丝和平面螺旋电感分别于控制电路电连接，用于控制原子气体参比池的温度和磁场强度。

优选地，所述原子气体参比池外表面的加热丝固定在玻璃外壳上。

优选地，所述螺旋电感的横截面的形状与原子气体参比池的横截面的形状相同，可以是圆形、多边形中的一种或圆形与多边形查组合，也就是一端横截面为圆形、另一端为多边形。

优选地，所述螺旋电感的中间部分留出，便于激光或光信号通过。

优选地，所述偏振片通过玻璃-玻璃热压键合工艺，直接键合在气体参比池端面外侧，且两端偏振片的偏振方向相互垂直。

优选地，所述偏振片使用云母线性偏振片。

优选地，所述气体参比池玻璃外表面连接有微型热电偶，用于实时测量气体参比池温度，并将温度反馈到控制电路中，由控制电路控制加热丝的电流，来保持温度恒定。

有益的技术效果：本发明集成原子气体参比池、偏振片以及提供磁场的线圈，主要集成化技术手段包括：1.小型化原子气体参比池：现有方案的气体参比池长度7cm以上，本发明缩小到毫米量级及以下。2.小型化提供磁场器件：现有方案的磁场都是通过永久磁铁加上螺旋管提供，本发明用气体参比池两端的平面螺旋电感取代。3.加热装置。现有方案的加热是在封闭空间的加入加热丝，本发明将加热丝直接集成到气体参比池玻璃上。4.偏振片集成；现有方案是分离的两个偏振片，本发明把偏振片集成到气体参比池两端面上。除了有效地对现有法拉第原子滤光器缩小体积减轻重量外，还可以免去现有滤光器的安装和调试的工作。本滤光器既可以作为出射端激光的稳频器件，也可以作为接受端的光信号频率鉴别器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种集成化小型法拉第原子滤光器的主视图；

图2是本发明一种集成化小型法拉第原子滤光器其中一实施例的螺旋电感示意图；

图3是本发明一种集成化小型法拉第原子滤光器另一实施例的螺旋电感的示意图；

图中1-原子气体参比池；2-螺旋电感；3-偏振片；4-加热丝。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

现结合图1-图3做详细介。

根据一个优选实施方式，本发明的一种集成化小型法拉第原子滤光器包括原子气体参比池1，集成在所述原子气体参比池1两端的螺旋电感2，以及集成在所述螺旋电感2两端的偏振片3；原子气体参比池1提供滤光器的工作物质，原子气体参比池1两端的螺旋电感2提供沿原子气体参比池1轴向的磁场，螺旋电感2两端的偏振片3相互垂直，分别起到起偏和检偏的作用。

根据一个优选实施方式，所述原子气体参比池1外壳由具有加热丝的玻璃加工而成；优选地，采用铁铬铝合金电热丝。

根据一个优选实施方式，，所述加热丝4均匀环绕在原子气体参比池1的柱形面上；

根据一个优选实施方式，原子气体参比池1端面的螺旋电感2，形状是矩形。螺旋电感2由一条金属带组成，金属带的两端分别于电源的正负极电连接。平面螺旋电感的中间部分留出，便于激光或光信号通过。具体尺寸参数可以通过系统需要的透过率得到内径尺寸，然后根据需要磁场要求，设定外径，线宽和线间距等参数。

根据一个优选实施方式，原子气体参比池1端面的螺旋电感2，形状是圆型。螺旋电感2由一条金属带组成，金属带的两端分别于电源的正负极电连接。平面螺旋电感的中间部分留出，便于激光或光信号通过。具体尺寸参数可以通过系统需要的透过率得到内径尺寸，然后根据需要磁场要求，设定外径，线宽和线间距等参数。

根据一个优选实施方式，原子气体参比池长度设计为1mm，比通常的原子气体参比池尺度70-80mm小的多，螺旋电感最大外径为25mm。螺旋电感的铜箔厚度为0.2mm，线宽0.25mm，线间距0.25mm，匝数12，电流100ma，这样在参比池两个端面距离为1mm的螺旋电感2可以在原子气体参比池1里面产生100gauss的均匀轴向磁场。

根据一个优选实施方式，磁场和温度的设定可以通过以下方法进行：根据所需要的滤光器波长选择合适的工作物质及其对应的d1/d2线，给定滤光器长度和磁场，通过计算调节参数温度，计算得到滤光器的透射谱，使得所需波长对应于透射谱波峰。

根据一个优选实施方式，螺旋电感2通过现有的化学沉铜工艺，或磁控溅射工艺进行制作。螺旋电感的磁场可以置于50-500高斯，电感的电流控制在几十到200ma之间，易于电路设计和操作。

温度选择范围控制在50-200℃，此区间的温度对于加热丝也易于获得。

根据一个优选实施方式，偏振片通过玻璃-玻璃热压键合工艺，直接键合在气体参比池端面外侧，保持两端偏振片的偏振方向相互垂直。

根据一个优选实施方式，偏振片3使用云母线性偏振片。

根据一个优选实施方式，滤光器应该处于一个两端有透明窗口的密封腔内，并且包含必要控制电路，连接加热丝4和螺旋电感2，控制原子气体参比池1的温度和磁场。

根据一个优选实施方式，原子气体参比池1的外表面连接有微型热电偶(未图示)，可实时测量气体参比池温度。

根据一个优选实施方式，在气体池外集成温度传感器，温度传感器可以是热敏电阻或热电阻，通过温度传感器的反馈可以实时控制加热丝的电流以保持温度恒定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。