本发明属于光电子技术领域，涉及一种利用原子的速度转移效应和法拉第效应实现的超窄带法拉第反常色散原子滤光器及其实现滤光的方法。
背景技术：
在激光通信中，光在传输的过程中会由于色散、吸收等因素发生衰减，到达接收系统时信号就很弱。滤光器的作用是从较强的宽带背景光中提取微弱的窄带光信号。利用滤光器传输光信号能有效地抑制背景光噪声，提高接收系统信号的信噪比，同时还能提高接收系统的检测灵敏度。
法拉第反常色散原子滤光器(fadof)是目前研究最多、应用最广的一种原子滤光器，它的优点是：窄带宽，高透射率，大视场角和较高的带外噪声抑制比。fadof的原理早在1956年ohman就提出，它是利用原子蒸汽共振跃迁频率处的faraday旋光特性实现滤光。随后，不仅在理论方面，在实验中对于不同的原子也进行了大量的研究。780nm是铷原子d2跃迁谱线波长，相应的fadof也研究了很多，但绝大多数的fadof的带宽都在ghz量级。
420nm原子跃迁与780nm跃迁有共同的基态能级，利用原子的速度转移效应将振子强度较弱的原子高激发态跃迁谱线，转移到振子强度较强的原子较低激发态的跃迁谱线上，可实现超窄带的fadof，带宽在几十mhz到一百mhz附近，到目前为止，还没有这方面的报导。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种利用原子的速度转移效应和法拉第效应，实现的超窄带法拉第反常色散原子滤光器，这种原子滤光器的通带带宽在几十mhz到一百mhz附近，比现有绝大多数的原子滤光器窄，它可应用于新型光钟和高精密激光光谱稳频等领域。
为了解决上述技术问题，本发明是这样解决的。
一种超窄带原子滤光器，包括铷原子滤光器和泵浦光产生组件；
铷原子滤光器包括产生780nm激光的第一激光器，以及依次设置在780nm激光出射光路上的第一半波片、第一起偏器、第一透反镜、第一铷泡、第二透反镜和第二起偏器；第一起偏器与第二起偏器的偏振方向相互垂直正交；第一透反镜和第二透反镜对780nm激光高透，对420nm激光高反；所述第一铷泡的泡壁上绕有线圈，用来产生与780nm激光方向一致的轴向静磁场；
泵浦光产生组件产生420nm的泵浦光，经第二透反镜反射到第一铷泡中，与第一激光器产生的780nm的探测光一起和铷原子发生相互作用，并结合法拉第效应，使得探测光经过铷原子滤光器时，发生磁致光旋转，探测光经过第二起偏器后，产生与泵浦光相对应的目标光信号。
优选地，所述泵浦光产生组件产生的泵浦光利用饱和吸收谱进行稳频。
优选地，所述泵浦光产生组件包括第二激光器，所述第二激光器输出的420nm激光经第二半波片和偏振分光棱镜分成两束激光，其中一束420nm激光作为所述泵浦光，另一束用于饱和吸收谱稳频；
用于饱和吸收谱稳频的激光经过第一高反镜分成稳频泵浦光和稳频探测光；稳频泵浦光和稳频探测光均进入所述第二铷泡中，与铷原子发生相互作用；穿过第二铷泡的稳频探测光被第二光电探测器探测到，探测信号进入伺服反馈电路系统进行处理，用于稳定第二激光器的工作波长，从而将420nm激光频率锁定在饱和吸收峰上；
作为泵浦光的420nm激光经过四分之一波片后，被所述第二透反镜打到第一铷泡中。
优选地，在泵浦光产生组件中，对于第一高反镜分成的稳频泵浦光和稳频探测光，稳频探测光直接进入第二铷泡，稳频泵浦光经过第二高反镜、第三高反镜和第四高反镜的连续反射后，从稳频探测光的相对侧进入第二铷泡。
优选地，所述第一铷泡装载在第一磁屏蔽盒中，用来屏蔽外界磁场对实验的影响。
优选地，所述第一铷泡和第二铷泡均为圆柱形玻璃泡，两端面平整；玻璃泡中充有铷原子和缓冲气体。
优选地，在第二起偏器的出光侧安装第一探测器，通过优化420nm泵浦光和780nm探测光的光强，使得第一探测器探测到的滤光信号信噪比最优。
优选地，所述第二铷泡包有加热元件，用来控制铷泡的工作温度；包有加热元件的第二铷泡进一步设置于第二磁屏蔽盒中。
优选地，所述轴向静磁场的磁场大小范围为0到10g。
优选地，第一起偏器和第二起偏器均为格兰泰勒棱镜；第一激光器和第二激光器均为干涉滤光片激光器。
本发明还提供了一种利用上述任意一种超窄带原子滤光器实现滤光的方法，其包括以下步骤：
第二激光器产生420nm激光，经第二半波片和偏振分光棱镜分成两束激光，其中一束420nm激光作为泵浦光，另一束用于饱和吸收谱稳频；
用于饱和吸收谱稳频的激光经过第一高反镜分成稳频泵浦光和稳频探测光；稳频泵浦光和稳频探测光均进入所述第二铷泡中，与铷原子发生相互作用；穿过第二铷泡的稳频探测光被第二光电探测器探测到，探测信号进入伺服反馈电路系统进行处理，用于稳定第二激光器的工作波长，从而将420nm激光频率锁定在饱和吸收峰上；
第一激光器产生780nm激光作为探测光，经过第一半波片、第一起偏器和第一透反镜后，进入所述的第一铷泡；同时，经稳频后的420nm泵浦光，经过四分之一波片、第二透反镜后，打到第一铷泡中，与780nm的探测光一起和铷原子发生相互作用；通过法拉第效应，探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，探测光经过第二起偏器后，产生与泵浦激光相对应的目标光信号。
为所述线圈通电，产生轴向静磁场，通过改变电流的大小来精确控制磁场的大小，使得磁场均匀、方向和探测光方向一致；
优化静磁场的大小，使信号光尽可能地透过，而背景光被滤除，设置在第二起偏器的出光侧的第一光电探测器探测到滤光信号；
优化420nm泵浦光和780nm探测光的光强，使得第一探测器探测到的滤光信号信噪比最优。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明技术方案利用原子的速度转移效应，将振子强度较弱的420nm跃迁谱线转移到振子强度较强的780nm跃迁谱线上，并结合原子的法拉第效应，使共振频率处的光信号透过而非共振的光信号被滤除，实现超窄带宽的法拉第反常色散原子滤光器。相比传统的原子滤光器，该方案结合了原子的速度转移效应和法拉第效应，其通带带宽要远远窄于传统的原子滤光器，带宽在几十mhz到一百mhz左右。该方案的具体实施过程中，420nm激光作为泵浦光，频率稳定在饱和吸收峰上，780nm激光作为探测光。本发明铷泡置于磁屏蔽盒中，消除地磁场对实验结果造成的影响。
附图说明
图1是本发明实施例中实施铷原子780nm超窄带宽原子滤光器的结构示意图；
其中，1—第一激光器；2—第一半波片；3—第一起偏器；4—第一透反镜；5—第一磁屏蔽盒；6—线圈；7—第一铷泡；8—第二透反镜；9—第二起偏器；10—第一光电探测器；11—四分之一波片；12—第二激光器；13—第二半波片；14—偏振分光棱镜；15—第一高反镜；16—第二高反镜；17—第三高反镜；18—第四高反镜；19—第二铷泡；20—第二光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的原理是：振子强度较弱的原子跃迁波长所对应的激光作为泵浦光，振子强度较强的原子跃迁波长所对应的激光作为探测光，与原子相互作用，通过速度转移效应将振子强度较弱的原子高激发态跃迁谱线，转移到振子强度较强的原子较低激发态的跃迁谱线上，并结合法拉第效应，使得探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，输出与泵浦激光相对应的目标光信号。
基于该原理本发明所提供的超窄带法拉第反常色散原子滤光器包括两大部分，一部分是滤光器部分，另一部分是泵浦光产生部分。
滤光器部分包括第一激光器1、第一半波片2、第一起偏器3和第二起偏器9；第一铷泡7置于第一透反镜4和第二透反镜8之间，然后放在第一起偏器3和第二起偏器9之间。其中，第一透反镜4和第二透反镜8对780nm激光高透，对420nm激光高反；所述第一铷泡7的泡壁上绕有线圈6，用来产生轴向静磁场；磁屏蔽盒5中装载第一铷泡7，用来屏蔽外界磁场对实验的影响；所述第一起偏器3和第二起偏器9的偏振方向相互垂直正交。
此外，超窄带原子滤光器还包括用于产生420nm泵浦激光的第二激光器12、第二半波片13、偏振分光棱镜14、第二铷泡19、第一高反镜15、第二高反镜16、第三高反镜17、第四高反镜18、第二光电探测器20、伺服反馈电路系统和四分之一波片11。所述第二激光器12，输出的420nm激光经第二半波片13和偏振分光棱镜14分成两束激光，其中一束作为泵浦光，另一束用于饱和吸收谱稳频；具体来说：
用于饱和吸收谱稳频的激光经过所述高反镜15，分成两束光强不等的激光，其中，光强较强的那束作为稳频泵浦光，光强较弱的那束作为稳频探测光；所述稳频泵浦光和稳频探测光在所述第二铷泡19中，与铷原子发生相互作用；稳频探测光被第二光电探测器20探测到，再通过伺服反馈电路系统，将420nm激光频率锁定在饱和吸收谱上，伺服反馈电路系统通过控制第二激光器来稳定第二激光器的工作波长，从而实现稳频；
另一束420nm激光，作为泵浦光，经过四分之一波片11后，被第二透反镜8打到第一铷泡7中，与第一激光器1产生的780nm激光透射到第一铷泡中一起，与铷原子发生相互作用。第一激光器1产生的780nm激光作为探测光；所述轴向静磁场的方向与探测光方向一致，通过法拉第效应，使得探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，探测光经过第二起偏器9后与设置在第二起偏器9出射光路上的第一光电探测器10接收，探测到与泵浦激光相对应的目标光信号。
本发明还提供一种使用上述超窄带宽原子滤光器实现滤光的方法，其包括以下步骤：
在420nm饱和吸收谱稳频光路中依次放置用于产生420nm激光的第二激光器12、第二半波片13、偏振分光棱镜14、高反镜15、第二铷泡19、高反镜16、高反镜17、高反镜18和第二光电探测器20；其中，所述第二铷泡19置于磁屏蔽盒(图中未标出)中，用以屏蔽地磁场对实验结果的影响；第二激光器12产生的420nm激光经过所述高反镜15，分成两束光强不等的激光，其中，反射光作为泵浦光，透射光作为探测光；所述泵浦光和探测光在所述第二铷泡19中，与铷原子发生相互作用；探测光被第二光电探测器20探测到，再通过伺服反馈电路系统，将420nm激光频率锁定在饱和吸收谱上；
第一激光器1产生780nm激光作为探测光，经过第一半波片2、第一起偏器3和第一透反镜4后，进入所述的第一铷泡7；稳频后的420nm激光作为泵浦光，经过四分之一波片11、第二透反镜8后，打到第一铷泡7中，与所述780nm探测光一起和铷原子发生相互作用；通过法拉第效应，探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，探测光经过第二起偏器9后被第一光电探测器10接收，探测到与泵浦激光相对应的目标光信号。
为所述线圈6通电，产生轴向的静磁场，通过改变电流的大小来精确控制磁场的大小，所需的磁场是均匀的，方向和探测光方向一致；
通过优化磁场的大小，使信号光的偏转角尽可能达到90°，而背景光因未发生偏转而被相互垂直的起偏器滤除掉，第一光电探测器10探测到滤光信号；
改变420nm泵浦光和780nm探测光的光强，使得第一探测器10探测到的滤光信号信噪比最优。
具体地，本发明的一种实施结构图如图1所示，轴向静磁场由绕在第一铷泡7泡壁上的线圈6通电产生，可以通过改变电流的大小来精确地控制磁场的大小。
420nm饱和吸收稳频中的第二铷泡19也是置于磁屏蔽盒(图中未标出)中的，用以屏蔽地磁场带来的影响；第二铷泡19外包有加热元件(图中未标出)，可以控制第二铷泡19的工作温度，使其工作在最佳条件下。
轴向静磁场的方向与780nm探测光方向一致，通过法拉第效应，在420nm泵浦光作用下在速度转移谱位置产生780nm透射信号。通过调整静磁场大小、泵浦光和探测光光强的大小，使得第一探测器10探测到的滤光信号信噪比最优。
本发明实施例中，采用以上超窄带原子滤光器滤出780nm信号光的方法具体包括如下步骤：
为线圈6通上电流，通过改变电流大小来控制磁场大小，磁场的范围为0—10g；整个第一铷泡7装置都置于磁屏蔽盒5中，消除地磁场的影响；
420nm泵浦激光利用饱和吸收谱稳频的方法，将激光器的输出频率锁定在其中的一个吸收峰上；420nm激光作为泵浦光，要求激光功率要尽可能大，这里420nm激光的出光功率能达到20mw甚至更高；
780nm激光作为探测光，功率不需很高，一般在百微瓦量级。泵浦光和探测光在铷泡中与铷原子发生相互作用，分别优化探测光和泵浦光的功率，使得经过第二起偏器后目标信号光的信噪比达到最优。
采用上述滤光器实现滤光的方法为：
第二激光器12产生420nm激光，经第二半波片13和偏振分光棱镜14分成两束激光，其中一束420nm激光作为泵浦光，另一束用于饱和吸收谱稳频；
用于饱和吸收谱稳频的激光经过第一高反镜15分成稳频泵浦光和稳频探测光；稳频泵浦光和稳频探测光均进入所述第二铷泡19中，与铷原子发生相互作用；穿过第二铷泡19的稳频探测光被第二光电探测器20探测到，探测信号进入伺服反馈电路系统进行处理，用于稳定第二激光器12的工作波长，从而将420nm激光频率锁定在饱和吸收峰上；
第一激光器1产生780nm激光作为探测光，经过第一半波片2、第一起偏器3和第一透反镜4后，进入所述的第一铷泡7；同时，经稳频后的420nm泵浦光，经过四分之一波片11、第二透反镜8后，打到第一铷泡7中，与780nm的探测光一起和铷原子发生相互作用；通过法拉第效应，探测光经过原子滤光器时，发生磁致光旋转，探测光经过第二起偏器9后，产生与泵浦激光相对应的目标光信号。
为所述线圈6通电，产生轴向静磁场，通过改变电流的大小来精确控制磁场的大小，使得磁场均匀、方向和探测光方向一致；
优化静磁场的大小，使信号光尽可能地透过，而背景光被滤除，设置在第二起偏器9的出光侧的第一光电探测器10探测到滤光信号；
优化420nm泵浦光和780nm探测光的光强，使得第一探测器10探测到的滤光信号信噪比最优。
上述超窄带原子滤光器实施例仅是为了说明本发明的原理，而不是用于限制本发明的范围。本领域的相关技术人员可在不违背本发明的技术原理及精神下，对上述实施例作修改与变化，这些改进与变化也应视为本发明的保护范围。本发明的保护范围应如权利要求所述。