专利名称：一种主动式铷原子共振滤光器的制作方法
技术领域：
本实用新型一种主动式铷原子共振滤光器(铷-Rb，原子共振滤光器-ARF)涉及光学、无线电电子学和原子、分子物理学，尤其适用于激光通信中的滤光器件。
滤光器件广泛应用于激光通信中，现有技术的状况是①传统的光学滤光片，由于宽的带宽和低的透过率，不能满足于激光通信白天工作的要求。
②已研究和演示的Rb-ARF，一是使用染料激光器或者半导体激光器作为激发Rb基态原子到5P激发态的泵浦源，还不具有实用性；二是使用纯Rb样品，转换效率较低。染料激光器或者半导体激光器泵浦的荧光型主动式Rb-ARF，尽管具有非常高的泵浦效率，但是，前者体积庞大，仅仅适合于在实验室里进行物理参数的确定和原子滤光特性的研究之用。后者的问题在于a、国内没有合适Rb波长的半导体激光器商品可以获得，需要从国外购买；b、激光波长稳定性较差，不实用(这一点已经在原子频标里被证明，至今激光泵浦的原子频标仍然没能达到实用的阶段)。
③荧光型主动式铊ARF对于集居62P3/2原子亚稳态也使用了光谱灯进行泵浦，但是它的工作波长与Rb-ARF不相同，不能够直接取代Rb-ARF，并且，为了满足产生原子亚稳态的条件，铊蒸汽泡只能保持非常低的原子数密度，因此，输出信号强度受到限制。
由此可见，使用传统的光学滤光片，激光光通信系统只能在夜间工作。为了保证激光光通信能够在白天进行，则要求使用更高效率的滤光器件。与干涉滤光片(薄膜的、偏振的等)和双折射滤光片相比，ARF具有大的接收角、更窄的带宽和更高的滤光效率等特点。尽管目前的Rb-ARF使得激光光通信系统在白天也能正常工作，由于没有满足要求的商品器件可以获得，且传统设计方案直接用于激光通信仍然存在器件庞大、不实用或者转换效率比较低等问题。
本实用新型的目的就在于克服现有技术中存在的问题和不足，而研究和建造一种主动式、高效实用的Rb-ARF。
本实用新型的目的是这样实现的本实用新型使用无极放电Rb光谱灯泵浦的Rb-ARF。Rb光谱灯在Rb原子频标里的使用，已经表明了它的实用性光谱纯度高、辐射频率稳定、体积小、寿命长、本实用新型易于与其他部件组合。对于Rb蒸汽泡，我们设计的主体尺寸为Φ18×40mm，并有一个Φ5×50mm的泡尾，其保证Rb蒸汽量子转换效率为28％。其波长与倍频NdYAG激光器(YAG晶体棒工作温度为102℃)的激光波长相吻合，两者的匹配是激光对潜通信的可选择方案之一。本实用新型主要由无极放电Rb光谱灯和原子蒸汽泡组成，其工作原理是首先让无极放电Rb光谱灯Rb D1或者D2线光照射Rb蒸汽泡，使得Rb原子集居在52P1/2或者52P3/2激发态，Rb-ARF处于工作状态。当与Rb原子高激发态能级谱线相吻合的入射信号通过Rb蒸汽泡时，Rb原子吸收信号光子后从5P能级跃迁到高激发S或者D态，然后，激发态Rb原子辐射弛豫经nP态回到基态，通过原子内部转换，输出的原子荧光里包括信号的所有信息。在极窄原子线宽内产生高透过率，而对强的本底噪声产生高抑制。从5P能级到高激发S态或者D态的跃迁，其中特别令人感兴趣的是工作波长为532nm(5P1/2-10S1/2)的Rb-ARF，其响应时间为几百ns量级，理论的纯Rb原子蒸汽泡有一个长的工作寿命。加上双加热炉的设计，工作期间能够使得Rb蒸汽泡的原子数密度恒定。为了提高Rb-ARF的探测灵敏度，我们使用了Rb蒸汽加分子气体(H2或者CO)的混合。
本实用新型的优点或者积极效果是①由于具有超窄线宽滤光特性，使得激光光通信系统在白天能够进行正常工作。
②使用无极放电Rb光谱灯作为泵浦源，减少了器件的体积和重量，简化了器件的结构，使得本实用新型具有实用性；②在原子共振滤光器(ARF)研究中，通常使用无掺杂样品。我们在研究原子与原子、分子碰撞能量转移的基础上，对泡加入合适压力H2、CO气体，使得本实用新型在预定工作温度(130℃)下的72P52S1/2荧光强度比使用纯Rb泡时分别增强6(使用H2气体)和20倍(使用CO气体)、极大地提高了ARF探测灵敏度；因此，能够增加激光光通信的距离，或者增加激光对潜通信的海水深度。
以下结合附图和实施详细说明
图1为本实用新型工作原理图。其中，1—电路盒，即无极放电Rb光谱灯激励电路盒，包括半导体高频(98MHz)振荡电路和散热片，其作用是保证Rb灯泡正常起辉和稳定工作；2—保温套，材料为聚四氟乙烯塑料，防止Rb灯泡工作温度随环境温度波动；3—红光带通滤光片，仅仅允许无极放电Rb光谱灯的780mm和794nm辐射光通过；
4—电加热丝，无磁双绕，将外部直流电源提供的电能变成热能，对Rb蒸汽泡进行加热，保证Rb蒸汽泡壁无Rb金属粘附；5—干涉滤光片，其带通波长信号激光波长相吻合；6—光学玻璃窗片，其作用是保持炉内温度、防止热空气影响干涉滤光片的性能，并允许抽运光、信号激光和原子荧光尽可能小损失地通过；7—加热炉，由聚四氟乙烯塑料制成，内有电加热丝和控温、测温用的铂金丝电阻，能够保证工作在室温至180℃之间任一温度下，稳定度为±0.3℃；8—无极Rb灯泡，包括几mgRb金属和惰性气体，封装前真空度优于10-5Torr；9—振荡线圈，无极放电Rb光谱灯激励电路的一部分，由Φ2mm银丝制作；10—小炉子，保温套由聚四氟乙烯塑料制成，内有电加热丝和控温、测温用铂金丝电阻，用于控制Rb蒸汽密度，在工作中保证Rb蒸汽泡里的Rb蒸汽恒定在一个所要求的原子数密度；11—Rb蒸汽泡，95玻璃制作，是Rb-ARF的核心，包括作为工作介质的Rb金属与分子气体，在工作中，由加热形成Rb原子蒸汽，充入Rb金属和分子气体之前的蒸汽泡内真空度优于10-5Torr；12—电加热丝，康铜丝材料，无磁双绕，为小炉子10提供热源；13—蓝光带通滤光片，选择信号光转换的原子荧光通过，与原子荧光的工作波长范围(420nm-311nm)相吻合。
由
图1可知，本实用新型主要由无极Rb灯泡8和Rb蒸汽泡11组成。由电路盒1、保温套2、无极Rb灯泡8和振荡线圈9组成无极放电Rb光谱灯器件。电路盒1包括高频振荡电路和散热片部分；保温套2固定在电路盒1上，振荡线圈9是振荡电路的一部分，也固定在电路盒上；振荡线圈9位于保温套2内；无极放电Rb灯泡8放置于振荡线圈9中间，其外壁不与振荡线圈9相接触，仅仅是泡尾固定在保温套2后壁上；保温套2的前部安装有红光带通滤光片3，并与加热炉7相连接；加热炉7的每一个端口都安装有光学玻璃片6，用于防止加热炉7温度影响滤光片3、5和13的性能，并且保证尽可能少损失地光通过；干涉滤光片5固定在加热炉7上，其带通的中心波长与入射信号激光相吻合，而对其他波长的光抑制，入射信号激光与泵浦光相互垂直；加热炉7内包括有电加热丝4，及测温、控温铂电阻(没有画出)，它们保证炉子工作在室温-180℃范围的任一确定温度下，控温精度为±0.3℃；小炉子10镶套安装在加热炉7上，炉内也包括有独立的电加热丝12、及测温、控温铂电阻(没有画出)；工作时，小炉子10通过保持在比加热炉7温度低10℃；Rb蒸汽泡11固定在小炉子12顶端，Rb蒸汽泡11主体部分位于加热炉7内，工作时，Rb蒸汽泡11壁上无Rb金属粘附；Rb蒸汽泡11尾部位于小炉子10内，尾部里含有约几十mg的Rb金属，保证Rb蒸汽泡有足够长的工作寿命。
由以上分析，本实用新型由于性能价格比高，高效实用，因此有着广阔的应用前景。
权利要求1.一种主动式铷原子共振滤光器，其特征是主要由无极Rb灯泡(8)和Rb蒸汽泡(11)组成，其连接关系是①由电路盒(1)、保温套(2)、无极Rb灯泡(8)和振荡线圈(9)组成无极放电Rb光谱灯器件；电路盒(1)包括高频振荡电路和散热片部分；保温套(2)固定在电路盒(1)上，振荡线圈(9)是振荡电路的一部分，也固定在电路盒上；振荡线圈(9)位于保温套(2)内；无极Rb灯泡(8)放置于振荡线圈(9)中间，其外壁不与振荡线圈(9)相接触，仅仅是泡尾固定在保温套(2)后壁上；保温套(2)的前部安装有红光带通滤光片(3)，并与加热炉(7)相连接；加热炉(7)的每一个端口都安装有光学玻璃片(6)；干涉滤光片(5)固定在加热炉(7)上，其带通的中心波长与入射信号激光相吻合，而对其他波长的光抑制，使入射信号激光与泵浦光相互垂直；②加热炉(7)内包括有电加热丝(4)，及测温、控温铂电阻；小炉子(10)镶套安装在加热炉(7)上，炉内也包括有独立的电加热丝(12)、及测温、控温铂电阻；Rb蒸汽泡(11)固定在小炉子(12)顶端，Rb蒸汽泡(11)主体部分位于加热炉(7)内；Rb蒸汽泡(11)尾部位于小炉子(10)内，尾部里含有约几十mg的Rb金属。
2.按权利要求1所述的一种主动式铷原子共振荡滤光器，其特征是在Rb蒸汽泡(11)内加入有合适压力的H2、CO气体。
专利摘要本实用新型公开了一种主动式铷原子共振滤光器,涉及光学、无线电电子学和原子、分子物理学,尤其适用于激光通信中的滤光器件。为了提供一种高效适用的铷原子共振滤光器(Rb－ARF),本实用新型主要由无极放电Rb光谱灯和原子蒸汽泡组成,在蒸汽泡内加入有合适压力H
文档编号H01J61/74GK2403011SQ99256768
公开日2000年10月25日 申请日期1999年12月30日 优先权日1999年12月30日
发明者孙献平, 曾锡之 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所